感應(yīng)荷電中帶電裝置參數(shù)影響的實驗研究

孫伊偉,覃粒子

(北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院， 北京 100191)

細水霧以環(huán)境友好、控溫防煙效果好、滅火迅速、耗水量低、破壞性小等特點，已被看成傳統(tǒng)高效滅火劑——鹵代烷[1]的主要替代品。

考慮特定條件或環(huán)境下，如核潛艇、航空航天飛行器等密閉空間中，細水霧滅火性能得不到充分發(fā)揮：如由于障礙物的存在，細水霧不能直接作用到火焰的根部，冷卻火焰燃料表面的滅火機制不能有效發(fā)揮，影響細水霧滅火效果[2]。另外，細水霧因霧滴直徑小，在滅火過程中易受風(fēng)流擾動，已有研究表明，隨著細水霧粒徑的減小，霧沖量也隨之減小，在火場熱氣流下，很難到達火焰區(qū)，且到達油池面的概率更小，滅火效果也不好[3]。靜電霧化技術(shù)則是一種理想的可以有效控制霧化過程，達到人為控制霧滴的分布、粒徑和行為的手段，主要是讓細水霧帶有某種電荷，再根據(jù)電荷種類實現(xiàn)特定的目的。關(guān)于荷電細水霧的研究主要體現(xiàn)在農(nóng)藥噴灑[4]、工業(yè)除塵[5]、家裝噴涂[6]等方面。目前，已有研究表明，外加電場對噴霧流場的分布、火焰的燃燒過程有重要影響。

荷電噴霧的分類方式很多，根據(jù)噴霧流量大小可以將其分為微小流量荷電噴霧與大流量荷電噴霧。微小流量荷電噴霧是由靜電霧化原理[7]主導(dǎo)的荷電噴霧，其機制為：通過給液體噴射裝置施加高電壓，使得噴射裝置的尖端液體形成泰勒錐并發(fā)射射流，射流表面上的波紋導(dǎo)致由于庫侖力排斥而徑向分散的小而高度帶電的霧滴[8]。大流量荷電噴霧是由壓力霧化原理[9]主導(dǎo)的荷電噴霧，其機制為：將壓力轉(zhuǎn)化為流體動能以形成高速運動的液柱射流或液膜射流，與周圍低速的氣體介質(zhì)相遇，液柱或液膜在破碎力與反破碎力作用下破碎，最后完成霧化[10]。

荷電方式主要包括自然荷電和強制荷電兩大類，隨著各種靜電技術(shù)的開發(fā)利用，對液滴的強制帶電成為研究的重點[11]。強制帶電方式主要包括：接觸荷電，電暈荷電和感應(yīng)荷電。感應(yīng)荷電是根據(jù)靜電感應(yīng)原理使霧滴上產(chǎn)生與高壓電極極性相反的電荷，即將外加高壓電源直接加在環(huán)狀電極上，通過環(huán)形電極與錐狀水膜之間的電場，使液滴產(chǎn)生與電極極性相反的感應(yīng)電荷的荷電方式。其主要優(yōu)點包括：荷電結(jié)構(gòu)簡單，荷電穩(wěn)定，荷電安全與荷電效率高。因此本文對感應(yīng)荷電電荷遷移的影響因素進行相關(guān)實驗與分析，以進一步提高感應(yīng)荷電噴霧效果。

1 噴霧實驗

本文采用的感應(yīng)荷電噴霧實驗系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)由液體工質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)、細水霧靜電感應(yīng)系統(tǒng)、荷質(zhì)比測量系統(tǒng)組成。

其中，采用XWL42.15型高壓柱塞泵為該系統(tǒng)提供壓力，電源部分采用LAS-50KV-20mA型高壓電源，靜電感應(yīng)噴霧電流測量采用網(wǎng)狀目標(biāo)法，測量儀表選用GLOW-28520數(shù)顯直流微安表。此系統(tǒng)關(guān)鍵部分為細水霧靜電感應(yīng)荷電裝置。

水霧具有一定的導(dǎo)電率，因此必須保證整個靜電感應(yīng)系統(tǒng)絕緣隔水，否則會產(chǎn)生漏電電流，這對微安量級電流測量的影響是巨大的。針對設(shè)計要求設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單的整體式感應(yīng)帶電裝置(如圖2所示)，該裝置主要由傘罩、連接柱、銅環(huán)等組成，其中銅環(huán)套于傘罩上部棱臺型位置，不同環(huán)徑位于棱臺形不同高度，傘罩下部為一個較大尺寸的平臺，主要用來阻擋由于負壓和電場帶來的反卷噴霧，從而達到絕緣的效果。整個傘罩通過連接柱固定于噴霧系統(tǒng)管路，而且其高度是可調(diào)整的，這有利于探索環(huán)徑和銅環(huán)到噴頭端部距離對于超細水霧液滴帶電量的影響。

實驗時，啟動柱塞泵使得液體工質(zhì)通過一定長度管路并最終經(jīng)由細水霧噴頭以霧滴形式噴射而出，在這個過程中同時開啟高壓電源，使得銅環(huán)加載相應(yīng)電勢，細水霧噴頭感應(yīng)相應(yīng)電荷，噴射而出的細水霧帶走一定感應(yīng)電荷，當(dāng)荷電霧滴運動到銅網(wǎng)時會沿著目標(biāo)銅網(wǎng)—數(shù)顯微安電流表—大地回路放電，此時，數(shù)顯微安表示數(shù)即為細水霧感應(yīng)電流，進而可以算出平均荷質(zhì)比：

(1)

式(1)中：I為數(shù)顯微安表示數(shù)；Qg為液體工質(zhì)流量。

實驗時，通過改變感應(yīng)帶電絕緣裝置材料、環(huán)形電極直徑、環(huán)形電極和噴頭之間距離、液體工質(zhì)流量、高壓電源輸出電源等，獲取各種工況下的噴霧荷質(zhì)比。經(jīng)過充分比較，得到一定的細水霧靜電感應(yīng)規(guī)律。

2 環(huán)形電極與噴嘴間電場強度

為了方便研究，粗略地計算環(huán)形電極與噴嘴之間電場大小。假設(shè)細水霧的粒徑很小，且對周圍的場強影響較小，可以近似將其看成電荷完全分布于導(dǎo)體外表面上的實心球體，而實心球體的內(nèi)部及空腔中的電場強度均為零。從噴嘴噴出的霧化錐角為0°，即噴射出的霧場呈垂直的圓柱形，環(huán)狀電極的厚度忽略不計。根據(jù)高斯定理，霧滴表面的電荷密度為：

σm=ε0E

(2)

式(2)中：ε0為真空介電常數(shù)；E為霧滴表面附近的場強。

細水霧通過兩極間電場后所帶的電流為：

I=2πrσmν=2πrε0Eν

(3)

式(3)中：r為噴嘴的出口半徑；v為霧滴的流速；Q為液體流量。

而兩極間被施加電壓后，沿軸線上的電位分布為：

(4)

式(4)中：c為環(huán)狀電極到z軸上任一點的距離；R為環(huán)狀電極半徑；z為噴嘴距感應(yīng)電極銅環(huán)中心點的軸向距離；n為環(huán)狀電極線電荷密度。

兩極間的電場強度與電壓的關(guān)系為：

(5)

如果環(huán)狀電極至噴嘴出口的距離為S，施加電壓為U′，則兩極間的場強為：

(6)

式(6)即為環(huán)形電極與噴嘴之間電場的簡單表達式，從式中可以看出，兩極之間的電場強度與電源電壓成正比，與感應(yīng)帶電環(huán)直徑、帶電環(huán)距噴嘴垂直距離成反比。

3 對噴霧荷質(zhì)比影響的主要技術(shù)參數(shù)

3.1 絕緣罩材質(zhì)

為了研究不同材質(zhì)感應(yīng)帶電罩條件下，細水霧感應(yīng)帶電量與電源電壓的關(guān)系，本文進行了不同材質(zhì)感應(yīng)帶電罩下細水霧感應(yīng)帶電實驗。

實驗過程中，感應(yīng)帶電環(huán)直徑為84 mm，感應(yīng)帶電環(huán)與噴嘴的縱向距離為10 cm，噴霧流量為5 L/min。4種感應(yīng)帶電罩材質(zhì)分別為聚四氟乙烯、尼龍、聚甲醛和PVC，四種材料的物性參數(shù)如表1所示。

表1 4種絕緣材料的物性參數(shù)

圖3對比了4種絕緣罩材質(zhì)對噴霧荷質(zhì)比的影響。

由圖3可以看出，四種材質(zhì)絕緣罩條件下細水霧荷質(zhì)比均隨著電源電壓的增大而增大，且基本呈現(xiàn)線性正相關(guān)性，這表明提高電源電壓有利于提高細水霧帶電量，這與式(6)中感應(yīng)帶電環(huán)與噴嘴間電場強度關(guān)系式中顯示的規(guī)律相符。在尼龍材料進行的實驗中，噴霧液滴的荷質(zhì)比隨電壓的增大急速上升，并在10 kV左右達到了電流表的量程，因此使用尼龍材料進行感應(yīng)荷電噴霧實驗相比于另外三種材料，用較小的電壓就可以得到最好的荷電效果。另外，由于聚四氟乙烯材料的體積電阻率明顯比其他三種材料要小，因此在電壓上升到10 kV附近時，隨著射流的荷質(zhì)比上升，荷電噴霧與兩級之間的電場使空氣中的中性粒子發(fā)生電離產(chǎn)生新的電離子，并使電源電壓升高到10 kV附近時無法繼續(xù)升高加載電壓。并且，四種材質(zhì)下的感應(yīng)帶電量在電壓逐漸增大時均顯現(xiàn)出一定的區(qū)域飽和趨勢，其中，聚四氟乙烯與聚甲醛材料相對比較明顯，這與這兩種材料的電學(xué)性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)絕緣罩為聚甲醛或PVC材料時，細水霧帶電量與電源電壓呈正相關(guān)，且隨著電源電壓的升高，細水霧帶電量變化較小。在電源電壓小于25 kV時，聚甲醛絕緣罩較PVC絕緣罩，細水霧帶電量略大；在電源電壓高于25 kV時，聚甲醛絕緣罩較PVC絕緣罩，細水霧帶電量略小。對于聚甲醛和PVC材料的絕緣罩，電壓-荷質(zhì)比圖像出現(xiàn)了交叉點，原因可能有三個：第一、是當(dāng)電源電壓高于25 kV時，由于電壓過高，聚甲醛材料絕緣罩發(fā)生漏電現(xiàn)象，使得細水霧帶電量低于PVC絕緣罩；第二、實驗過程中細水霧的流量不穩(wěn)，使得細水霧感應(yīng)帶電量存在一定的波動；第三、考慮到實驗環(huán)境，可能產(chǎn)生一些干擾信號。同時可以看出，使用尼龍材料的絕緣罩時，電流隨著電壓增大的速率明顯快于其他三種材料，說明在相同電源電壓下，尼龍材料細水霧的帶電量遠遠高于聚甲醛和PVC材料，且隨著電源電壓的升高，細水霧帶電量急劇升高。不僅如此，采用尼龍材料時，電流與電壓的線性相關(guān)性最好，說明此時帶電過程比較平穩(wěn)，重復(fù)性很好。實驗中采用尼龍材料時也沒有發(fā)生任何漏水和漏電現(xiàn)象。結(jié)果表明，尼龍材料絕緣罩更有利于細水霧感應(yīng)帶電。

3.2 環(huán)狀電極直徑

為了研究不同直徑感應(yīng)帶電銅環(huán)條件下細水霧感應(yīng)帶電量與電源電壓的關(guān)系，本文進行了不同感應(yīng)帶電環(huán)直徑工況下細水霧感應(yīng)帶電的實驗。圖4為不同直徑感應(yīng)帶電環(huán)對荷質(zhì)比的影響。實驗過程中，感應(yīng)帶電環(huán)與噴嘴的垂直距離為10 cm，噴霧流量為3.2 L/min。同時感應(yīng)帶電環(huán)直徑分別為60 mm、72 mm和84 mm。

由圖4可以看出，在同一感應(yīng)帶電環(huán)直徑下，感應(yīng)帶電量與電源電壓呈正相關(guān)，細水霧感應(yīng)帶電量隨著電源電壓的增加而增加。這是由于電源電壓越大，感應(yīng)帶電環(huán)中形成的靜電場越強，在細水霧液滴穿過感應(yīng)帶電環(huán)的過程中，感應(yīng)所帶的電荷越多。在同一電源電壓下，細水霧感應(yīng)帶電量與感應(yīng)帶電環(huán)直徑呈負相關(guān)，即隨著感應(yīng)帶電環(huán)直徑的增大，細水霧感應(yīng)帶電量減小，這與式(6)得到的規(guī)律相符。對形成的電場進行簡單分析可知，由于在相同電源電壓下，感應(yīng)帶電環(huán)處電位不變，即在電通量沒有變化的情況下，增大感應(yīng)帶電環(huán)的直徑，使得內(nèi)部電場減小，再由前面的分析，細水霧穿過感應(yīng)帶電環(huán)時所感應(yīng)的電量相應(yīng)減小。因此為了獲得荷質(zhì)比較好的荷電噴霧，在保證帶電圓環(huán)不與液體射流接觸的前提下，帶電圓環(huán)的直徑越小越好。

3.3 感應(yīng)帶電環(huán)與噴嘴間垂直距離

為了研究感應(yīng)帶電環(huán)與噴嘴間垂直距離對細水霧感應(yīng)帶電量與電源電壓的關(guān)系的影響，本文進行了不同感應(yīng)帶電環(huán)與噴嘴垂直距離(高度)對細水霧感應(yīng)帶電的實驗。圖5為不同感應(yīng)電環(huán)垂直距離對細水霧荷質(zhì)比的影響?；谇懊鎸^緣罩材料及帶電銅環(huán)直徑的影響規(guī)律的認識，實驗過程中，絕緣罩采用尼龍材料，感應(yīng)帶電環(huán)直徑為60 mm，噴霧流量為3.2 L/min。同時對五種感應(yīng)帶電環(huán)垂直距離下電源電壓對荷質(zhì)比的影響進行實驗，感應(yīng)帶電環(huán)與噴嘴的垂直距離分別是：-10 cm、0 cm、10 cm、20 cm和30 cm，其中，當(dāng)帶電圓環(huán)置于噴嘴下方時，兩級間距離符號為正值；當(dāng)帶電圓環(huán)置于噴嘴上方時，兩級間距離符號為負值。

由圖5可以看出，感應(yīng)帶電環(huán)的垂直距離為-10 cm即帶電圓環(huán)位于噴嘴上方10 cm時得到的電壓-荷質(zhì)比曲線最好，說明在此感應(yīng)帶電環(huán)垂直距離下得到較好的荷電噴霧。當(dāng)電源電壓小于10 kV時，感應(yīng)帶電環(huán)與噴嘴的垂直距離對細水霧感應(yīng)帶電量的影響并不很大；而當(dāng)電源電壓大于10 kV時，除了帶電圓環(huán)位于噴嘴上方10 cm，其他三種工況的噴霧電流荷質(zhì)比隨電壓上升反而略微有所下降。這是由于實驗中所使用的感應(yīng)帶電裝置(圖2)為錐形傘罩，帶電圓環(huán)與噴嘴間的垂直距離不能直接通過帶電圓環(huán)在錐形傘罩上的垂直位置的改變而改變，因此要改變帶電圓環(huán)與噴嘴的垂直距離需要改變錐形傘罩的整體垂直位置，這樣當(dāng)帶電圓環(huán)與噴嘴之間垂直距離較小甚至帶電圓環(huán)在位于噴嘴上方時，錐形傘罩會起到很好的隔水作用，保證帶電圓環(huán)與水霧隔絕。而當(dāng)兩級直徑增大時，錐形傘罩需要向背離噴嘴方向移動，此時會有微小液滴濺射到帶電圓環(huán)上使電極導(dǎo)通，因此會發(fā)生有電壓升高噴霧荷質(zhì)比反而略有下降的現(xiàn)象。

在電源電壓大于10 kV，垂直距離為10 cm時，細水感應(yīng)帶電量隨著電源電壓的增大變化并不是很明顯。根據(jù)巴申定律可知：這是因為當(dāng)電源電壓增加到一定值，當(dāng)氣體成分和電極材料一定時，氣體間隙擊穿電壓是氣壓和兩級間距離乘積的函數(shù)。根據(jù)沈其工等[12]得到的均勻電場空氣間隙的擊穿電壓UF經(jīng)驗公式：

(7)

(8)

當(dāng)電壓上升到擊穿電壓UF時，大量的自由電子被電場力加速獲得足夠的能量，它們將空氣中的中性粒子電離，產(chǎn)生新的正負粒子，產(chǎn)生放電現(xiàn)象，因而細水霧的感應(yīng)帶電量隨著電壓的升高變化不大，甚至略微降低。從式(8)中可以看出，帶電圓環(huán)與噴嘴之間距離越大，兩級中間的空氣越不容易擊穿，因此當(dāng)電壓上升到10 kV，極間距離為30 cm時荷電噴霧的荷質(zhì)比變化比極間距離為20 cm穩(wěn)定。

綜上所述，電壓升高到10 kV時，噴霧荷質(zhì)比隨電壓的變化變得不穩(wěn)定的原因是霧滴濺射到帶電圓環(huán)與空氣被擊穿兩個因素。當(dāng)極間距離為-10 cm時，霧滴濺射所造成的影響由于錐形傘罩的保護可以忽略不計，并且由于具有高體積電阻率的錐形傘罩，兩級之間的擊穿電壓變得很大，因此荷電噴霧荷質(zhì)比在電壓達到10 kV以上時繼續(xù)緩慢上升。另外，在感應(yīng)荷電裝置中，將環(huán)形電極置于噴嘴上方的這種空間布置方式目前還非常少見，為感應(yīng)荷電噴霧實驗研究提供了新思路。

4 結(jié)論

1) 細水霧感應(yīng)帶電量與電源電壓呈正相關(guān)，且尼龍材料的絕緣罩不論帶電量、帶電過程平穩(wěn)程度還是實驗安全方面，相較于其他三種材料，更有利于細水霧感應(yīng)帶電實驗研究。

2) 細水霧感應(yīng)帶電量與感應(yīng)帶電環(huán)直徑呈負相關(guān)，為了增大細水霧感應(yīng)帶電量應(yīng)盡量減小感應(yīng)帶電環(huán)的直徑，但也要注意由于感應(yīng)帶電環(huán)直徑過小導(dǎo)致圓環(huán)容易與液滴接觸導(dǎo)致放電。

3) 考慮到細水霧錐角、霧化和實際應(yīng)用等問題，為了增大細水霧感應(yīng)帶電量，應(yīng)將感應(yīng)帶電環(huán)與噴嘴的垂直距離控制在-10 cm左右。

：

[1] 陳日，郭郢.鹵代烷滅火劑對環(huán)境的危害[J].山西化工,1995(2):63-63.

[2] 李營，浦金云，陳曉洪.細水霧滅火技術(shù)在潛艇封艙滅火過程中的應(yīng)用[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011，12(4):378-382.

[3] 余明高,李喜玲,郝強等.細水霧滅火過程中霧卷吸影響因素的研究[J].火災(zāi)科學(xué),2008,17(1):58-62.

[4] 張瑞，周一屆.感應(yīng)式靜電噴頭設(shè)計與試驗研究[J].農(nóng)機化研究,2013,35(1):181-183.

[5] 伍勇輝.噴嘴霧化特性及對電除塵性能的影響[D].秦皇島：燕山大學(xué),2012.

[6] 應(yīng)保勝，高全杰.靜電噴涂中荷電油液的霧化研究[J].材料保護,2003,32(10):15-17.

[7] MARGINEAN I.From chaotic cone pulsation to ion evaporation in electrosprays[D].Columbian College of Arts and Sciences of The George Washington University,2006.

[8] CLOUPEAU M,PRUNET-FOCH B.Electro hydrodynamic spraying functioning modes:acritical review[J].Journal of Aerosol Science,1994,25(6):1021-1036.

[9] BELHADEF A,VALLET A,AMIELH M.Pressure-swirl atomization:Modeling and experimental approaches[J].International Journal of Multiphase Flow,2012,39:13-20.

[10]HAN Z,PARRISH S,FARRELL P V,REITZ R D.Modeling atomization processes of pressure-swirl hollow-cone fuel sprays[J].Atomization & Sprays,1997,7(6):663-684.

[11]鮑重光.靜電技術(shù)原理[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,1993.

[12]周澤存,沈其工,方瑜.高電壓技術(shù)[M].北京：中國電力出版社,2007.