荷電液滴吸附顆粒物的試驗范文

本站小編為你精心準備了荷電液滴吸附顆粒物的試驗參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《江蘇大學學報》2016年第三期

摘要:

液滴荷電可增強其對顆粒物的吸附能力，有效提高其除塵效率．建立了荷電單液滴吸附顆粒物的試驗系統(tǒng)，采用高速攝像技術結合顯微放大圖像處理技術對顆粒物的運動特性進行了可視化研究，捕捉了荷電液滴在吸附過程中顆粒物的運動軌跡．通過分析顆粒物在靜電力、質量力以及黏性力等作用下的運動特性，發(fā)現顆粒物的粒徑是影響其運動的主要因素．結果表明:荷電液滴比未荷電液滴更易于吸附顆粒物;顆粒物在到達液滴表面后無法克服液滴的表面張力能，會黏附在液滴表面;部分顆粒物及其微團在飛向荷電液滴的運動過程中會出現奇特的排斥飛散現象;粘黏沉積及排斥飛散現象都會影響荷電液滴捕集顆粒物的效率．

關鍵詞:

荷電單液滴;顆粒物;吸附過程;運動特性;排斥飛散

隨著工業(yè)快速發(fā)展，大氣中煙塵及有害氣體的排放急劇增加．大量伴隨其中的顆粒物能夠長時間漂浮，持續(xù)影響環(huán)境質量，對公共健康造成嚴重危害［1－4］．如何高效去除空氣中的顆粒物成為環(huán)保領域的重要研究課題．當前廣泛應用的除塵技術有布袋除塵、旋風除塵和水膜除塵等．這些技術可有效去除大顆粒粉塵，但對于顆粒物脫除的效果有限，且顆粒物粒徑越小脫除效率越低［5］．近年來國內外的研究發(fā)現，靜電噴霧除塵技術可以有效地去除顆粒物［6－11］．霧滴荷電后，其周圍的顆粒物受到額外靜電力的作用，使得顆粒物更容易被霧滴吸附沉降．

早在1944年文獻［12］就提出荷電液滴吸附顆粒物的應用，盡管人們很早就發(fā)現靜電對顆粒物的吸附有增強作用，但是靜電噴霧除塵技術的研究才剛剛起步．近年來很多學者研究靜電噴霧除塵技術，如:文獻［8－9］試驗比較單噴嘴及多噴嘴荷電與未荷電的噴霧除塵效率，其發(fā)現荷電后顆粒物的脫除效率有顯著提升;文獻［13］數值模擬荷電單液滴及荷電液滴群吸附懸浮顆粒物;文獻［14－15］基于牛頓運動定律及拉格朗日法推導出顆粒物在荷電噴霧除塵過程中的運動軌跡方程，并試驗研究了荷電水霧除塵器的捕集效率;文獻［16］探討液滴荷電與否對空氣中顆粒物的脫除效率的影響，采用空氣微粒計數器測量空氣中微粒的濃度，結果表明荷電液滴可有效降低空氣中顆粒物的濃度;文獻［17］對荷電液滴去除密閉空間中煙氣的效率進行試驗，發(fā)現液滴荷負電荷時可有效提高煙氣的去除效率．目前主要集中在對荷電單液滴吸附顆粒物的數值模擬或試驗研究宏觀噴霧對顆粒物脫除效果的影響，對顆粒物在荷電液滴吸附作用下運動特性的試驗研究較少．筆者建立荷電單液滴吸附顆粒物的試驗系統(tǒng)，采用高速攝像技術結合顯微放大圖像處理技術對顆粒物的運動特性進行可視化研究．

1試驗方法及裝置

試驗采用懸掛液滴吸附靜止顆粒物．試驗裝置如圖1所示，由注射器、金屬毛細管、螺旋測微頭、高壓靜電發(fā)生器、金屬銅板和粉塵板等組成．毛細管為鋼制平口針頭，內徑為0.21mm，外徑為0.51mm，用于懸掛液滴．螺旋測微頭用于控制產生液滴的大小．粉塵板含有深0.50mm的凹面用于鋪放顆粒物．毛細管通過導線與高壓靜電發(fā)生器相連．毛細管管口與粉塵板相距1.80mm．粉塵板下襯金屬板，金屬板接地．虛線圈內為拍攝區(qū)域．試驗液滴當量直徑為0.80～1.30mm．試驗電壓為1kV．試驗所選用顆粒物為玻璃球、鐵粉以及鋁粉，表1給出了上述材料部分物性參數．由于空氣濕度原因，顆粒物間會存在毛細力，引起部分顆粒物形成軟團聚.為獲得液滴的表面圖像以及吸附過程中細顆粒的運動軌跡，試驗分別采用2種光源，布置方式如圖2所示．圖2a為側面照射，可獲得液滴的表面圖像．圖2b為正面照射，可獲得顆粒物的運動軌跡圖．

2試驗結果與分析

2.1顆粒物的受力分析固定荷電液滴捕集靜止顆粒物的過程如圖3所示．在捕集顆粒物過程中，液滴可吸附大量顆粒物，顆粒物會受到靜電力、質量力和黏性力等作用．靜電力克服質量力及黏性力，牽引顆粒物到達液滴表面，完成捕集過程．這些力的相互耦合對顆粒物的運動有重要影響．通過對它們進行比較能夠更加深入地了解荷電液滴捕集顆粒物的作用機理．荷電液滴電勢如圖4所示，由試驗圖片與模擬結果合成得出，在液滴正下方離液滴越近，電勢線越密，電場強度越大，最大電場強度Emax≥1×103kV•m－1．從表2可以看出:液滴荷電后，PM10顆粒受到黏性力影響，但運動軌跡不會因黏性流產生畸變，靜電力依然起主導作用．由式(1)，(2)，(4)發(fā)現:質量力與r3、靜電力與r2有關，而物體所受的黏性力與r成比例．因此，隨著顆粒物的粒徑減小，黏性力的影響將逐漸增大，顆粒物對流體的跟隨性將增強．2.2顆粒物的沉積現象顆粒物在荷電液滴表面的沉積如圖5所示．不同的顆粒物均黏附在液滴表面，未通過氣液交界面進入液滴內部．在多數工況下，顆粒在靜電力作用下產生的動能不足以克服液滴的表面張力能而通過氣液交界面在液滴內部進行沉積．因此，顆粒物會集中黏附在液滴表面．在靜電噴霧除塵中，破碎掉落液滴吸附顆粒物的靜電力比試驗中靜止液滴吸附顆粒物的靜電力小．所以在靜電噴霧除塵過程中，絕大部分不可溶顆粒物會黏附在液滴表面．當在水中加入表面活性劑后可有效提高大空間的除塵效率，可能是由于加入表面活性劑使液滴的表面能降低，顆粒物可以通過氣液交界面進入到液滴內部．

2.3顆粒物的吸附反彈現象在荷電液滴吸附顆粒物的過程中，顆粒物會出現反彈現象，如圖6，7所示，部分顆粒物遠離液滴，這些反彈顆粒物都來自顆粒微團．顆粒物的反彈現象可分為2種情況:①顆粒微團飛向液滴時破碎，部分顆粒物遠離液滴;②顆粒微團撞擊液滴后破碎，部分顆粒物被排斥．顆粒微團飛向液滴及破碎后的運動軌跡如圖6所示，其中，▲為顆粒物在某一時刻的位置，×為微團破碎位置．微團在靠近液滴的過程中發(fā)生破碎，靠近液滴一側的顆粒物加速飛向液滴，而遠離液滴側的顆粒物背向液滴運動．從0.334ms到0.734ms，破碎后的顆粒物加速遠離液滴，其運動軌跡近似垂直于液滴表面，說明此時顆粒物已經荷負電．由于液滴所產生的電場為非均勻電場，微團在該電場中會受到梯度力的作用．梯度力與場強的梯度成正比，顆粒微團上不同位置處的場強不同，因此微團上各處所受的梯度力不同．當微團內顆粒物間的凝聚力小于梯度力之差時，微團破碎．微團破碎時間非常短，遠小于顆粒物的荷電弛豫時間，微團破碎瞬間其內部電荷無法及時分布，靠近液滴側的顆粒物帶上正電荷，另一側顆粒物則帶負電荷．由于庫侖力決定顆粒物的運動，因此靠近液滴側顆粒物加速駛向液滴，另一側顆粒物則沿近似垂直液滴表面方向遠離液滴．圖7為顆粒微團撞擊液滴表面破碎后部分顆粒的運動軌跡．微團在撞擊液滴的過程中破碎，與液滴接觸的部分被液滴吸附，其余部分則被排斥遠離液滴，被排斥顆粒物的運動軌跡近似垂直于液滴表面．這是因為顆粒物及其微團無法克服液滴的表面能，難以通過氣液交界面進入到液滴內部，顆粒物的荷電弛豫時間小于其運動特征時間，微團與氣液交界面接觸后交界面上的負電荷迅速分布到微團上，當斥力大于顆粒物間的團聚力時，微團破碎，從而使未與液滴接觸的部分沿近似垂直液滴表面的方向遠離液滴．雖然靜電噴霧除塵存在靜電力的作用會明顯提高對細小顆粒物的捕集效率，但靜電力的作用也可以使部分已經團聚的顆粒物破碎變成更小的微團，引起排斥飛散．

3結論

1)在液滴捕集顆粒物的過程中，顆粒物受到靜電力、質量力以及黏性力等力的作用．當顆粒物粒徑較大時(如PM10)，靜電力起主導作用．當顆粒物粒徑較小時，黏性力會對顆粒物的運動產生影響．當顆粒物的粒徑更小時，顆粒物的運動軌跡會因黏性流而產生畸變．2)在靜電噴霧除塵過程中，由于顆粒物難以克服液滴的表面能，顆粒物無法通過氣液交界面進入到液滴內部，這將會影響到除塵的效率．3)液滴荷電后，額外靜電力的作用明顯增強液滴對顆粒物的捕集效果，但梯度力的存在可能會引起微團破碎，進而造成排斥飛散．顆粒微團撞擊氣液交界面后，庫侖力使微團破碎，未與液滴接觸的部分偏離液滴，影響捕集效率．

作者：王軍鋒 許榮斌 左子文 孫成仁 單位：江蘇大學 能源與動力工程學院