高压静电雾化液体的测试研究.pdf

通馋电球 】|： 2014年5月25日第31卷第3期 尹鹏腾，等：高压静电雾化 液体的测试研究 Telecom Power Technology May 25，20l4，Vo1．31 No．3 块直径10 cm的圆盘，为液滴雾化提供高压电场流 量控制器是通过输液器链接液体容量瓶与毛细钢管， 通过调节输液器开关控制液体流速在接地极与金属 圆盘之间串联一个二级运放电路，用以观察实验过程 中产生电流的变化实验采用的介质的物性参数见表 1，实验环境为常温21℃，表中10为密度，￡为真空介 电常数， 为粘性系数，)，为表面张力系数， 为电导 率 表1介质的物性参数 介 p 质(kg·m)(10 )(10一 Pa·s)(10 N·m 水 999 8．85 1．007 73．2 0．300 1．2高压静电雾化工作原理 静电雾化是在静电力作用下液体破碎成带电小液 滴的过程高度带电的小液滴内部产生库伦斥力，阻 止了液滴的凝聚并且使其更易穿透其周围的气体介 质结果表明：高压静电减小了液体的表面张力和粘 滞阻力，使液体容易破碎成更为细小的液滴，使雾滴尺 寸分布更均匀雾滴荷电后，带电雾滴在高压静电场 的作用下容易发生二次雾化，进一步减小雾滴粒径；同 时带电雾滴在电荷之间斥力作用下，弥散程度加大，且 能在目标物上感应出与本身电荷极性相反的电荷，从 而在极化力、引力等作用下更容易被目标物所捕获。

由于带电液滴的轨迹理论上是由电场决定的，所以可 以施加不同的高压电场来控制液滴的轨迹在高压电 场作用下，带电雾化液滴在外加高压所形成的电场作 用下移动 2实验现象与结果 2．1 雾化现象形成过程 室温下，影响电雾化现象的参数有溶液的表面张 力、介电常数、电导率、粘性、流量和高压电场通过改 变在一定内径的毛细管口流出液滴的不同流速，液体 的电雾化形成过程所需要的电压也不同在外加高压 产生的电场强度从零开始不断增加过程中，电雾化主 要经历以下几个过程：“滴”模型、“脉动”模型、“锥一射 流”模型和“不稳定”模型在稳定的“锥一射流”模型 中，稳定的射流区域表面在其径向受力达到平衡，其表 面静电压力为： 一F P]=== G012,n (1) 表面张力为： P 一 (2) 口 式中，e ，为介质真空介电常数；y为表面张力系数；以 为射流半径；E为射流表面径向电场强度 由稳态射流表面受力平衡得出： En一( )告 (3) 以￡n 对于稳定的射流模型，其雾化电流可表示为： =2m (4) n 式中，V =茅为射流流速；Q为液体流量；6=￡o 为 射流荷电电量密度，则： ，：=：—4Q V—~T f5 ‘ 口专 … 由式(5)可以看出，液体物理特性一定的情况下， 在稳定的“锥一射流”模型中形成的雾化电流与流量成 正相关。

2．2不同雾化模型的形成与液体流速的关系 室温下，通过确定的毛细钢管口径，改变通过毛细 管液体的流速和调节高压电源提供的电压，可以观察 电雾化过程中不同的流动模型产生电流大小与外加高 压的关系，如图2所示 图2不同流速与外加电压的关系 当电压达到一定值时，毛细管口液滴开始变化明 显，液滴曲率半径不断变大外加电压继续增大，液滴 不断变小，形成以一定流速流出的连续的、锥形的液 体当电压达到7．5 kV时，电流表示数趋于稳定，稳 定的“泰勒锥”模型形成；继续增加电压，稳定的锥形射 流开始变化，形成不稳定的喷洒模型在接地极金属 板上可以清楚地看到一定范围的雾化液滴，且电流表 示数不断增大液体流速越快，形成稳定的“泰勒锥” 模型所需要的电压值越小，接地极形成电流越大但 是，形成的初始电流大小几乎不变；“不稳定”模型形成 时，流速越快，在接地极圆盘上形成的喷洒液滴滴落范 围越大，所对应的电流也越大 2．3不同孔径的毛细管的雾化模型的形成 Taylor研究表明，一定粘度的小分子溶液喷射出 流体的临界值【， 可以由下式确定： A F_l'2 f)r U ===兰 (In等一3／2)(o．117册 ) (6) 1 一 式中，【， 为临界电压；H为毛细管与收集板之间的距 离；L为毛细管长度；R为流体的初始半径；)，为液体 的表面张力。

实验中，通过改变与高压电源连接的毛细钢管孔 径，观察不同条件下形成雾化模型所需电压与流速的 关系，如图3 5 0 5 0 5 O 5 0 5 O 4 4 3 3 2 2 1 1 O O 、r 2014年5月25日第31卷第3期 通谯电潦技术 Telecom Power Technology May 25，2014，Vo1．31 No．3 10 8 6 ． 4 2 0 0905 0910 0915 0920 0925 0930 V／(mL／s) (a)毛细管内径为0．26mm，外径0．5mm 一“不稳定”模型 0,000 0905 0910 0915 0920 0925 0,030 0,035 V／(mL／s) (b)毛细管内径为0．84mm，外径1．2mm 列雾化模型，比如“泰勒锥”模型、“不稳定”模型等在 其实验模型中，形成的电流大小与其流速、毛细管孔 径、毛细管口与接地极间距离和外加高压大小所形成 的高压电场有如下直接关系： (1)雾化过程“泰勒锥”模型形成所需电压与液体 流速成正相关，且接在接地极的电流表示数表征其雾 化电流趋于稳定； (2)“不稳定”模型形成电流值更大，且变化范围更 广泛；雾化过程形成电流大小随着毛细管口和接地极 间距离的增大而减小； ·(3)对于同一孔径的毛细管，当管口与接地极间距 离确定时，形成不同雾化模型所需电压值接近，但其形 成的电流大小却不同。

参考文献： 图3不同内径的毛细钢管与形成雾化模型所需电压的关系 r，] L J 图3(a)为常温下，自来水通过毛细管内径为 0．26 mlTl、外径0．5 mm在不同流速时，通过改变外加 电压形成不同的模型所需要电压值的关系图3(b) L2 为常温下，自来水通过毛细管内径为0．84 mITl、外径为 1．2 mm在不同流速时，通过改变外加电压形成不同模 … 型所需要电压值的关系 ～ 8j ／ -" {一一—■■■ 一． 6 一 · 一 模型 2 一 “泰勒锥”模型 1j 0 02 04 0．6 0．8 1_o 12 l4 1五 l盘 2D Dn／mm [4] 图4不同毛细管孔径与雾化模型所需电压的关系 从图4以及实验现象可以看到：雾化过程中，毛细 l_5 管孔径越小，形成起始电流值越小；随着毛细钢管内径 的增加，形成稳定的“泰勒锥”模型以及“不稳定”模型 u 所需要高压电源提供的电压也随之不断增加；通过对 比发现，雾化过程形成稳定“泰勒锥”模型以及“不稳 定”所需电压与毛细管孔径成反比关系；实验过程中， 通过不断增加电压，发现在“不稳定”模型阶段，电流表 示数随着电压升高而不断增加，且随着毛细管孔径的 r8] 不断减小，最终形成的电流值却不断增加。

3结论 r9] 水通过毛细管在高压电场作用下能够形成多种系 ·70· Dexuan Xu，Lianxi Sheng．Study of magnetically en— hanced corona pre-eharger[J]．Journal of Electrostatics， 2007，65：101—106． Zhu J，Zhang X，Chen W，Shi Y，Yan K．Electrostatic precipitation of fine particles with a bipolar pre-charger EJ]．Journal of Electrostatics，2010，68：174—178． Abdel—Salam，Hashem M，Yehia A，Mizuno A，Turky A，Gabr八Characteristics of·corona and silent dischar— ges as influenced bygeometry of the discharge reactor[J]． Journal of Physics D，2003，36：252—260． Jingming Wu，Xiaoqing Qian，Zhaoguang Yang，Lifeng Zhang．Study on the matrix effect in the determination of selected pharmaceutical residues in seawater by solid— phase extraction and ultra high-performance liquid chro— matograph—electrospray ioniaation low-energy collision- induced dissociation tandem iTIaSS spectrometry[J]．Jour— nal of Chromatography A，2010，1217：1471—1475． 张建平，赵林，谭欣．水分子团簇结构的改变及其生 物效应研究进展EJ]．化学通报，2004，67(4)：278—283． 杨鹏，叶招莲，蒋公羽，等．大气环境中的水分子团簇分 布和H+(H O)n(n=4～16)离子的解离[J]．化学通报， 2009，67(17)：2031—2037． 钱萍，杨忠志．应用ABEEM／MM模型研究水分子团 簇(H O)n(n=7～10)的性质I-J]．中国科学B辑化学， 2006，36(4)：284—298． 金彦，杨忠志．用从头算和ABEEM／MM法研究水分 子团簇增长方式[J]．河南科技大学学报：自然科学版， 2007，28(2)：96—102． 陈效鹏，董绍彤，程久生，等．电雾化装置及雾化模型研 究[J]．实验力学，2000，15(1)：97—103． 。