高壓靜電場下蒸餾蒸發(fā)速度的影響因素

高壓靜電場下蒸餾蒸發(fā)速度的影響因素

近年來，利用高壓靜電站對水蒸發(fā)和材料的干燥過程受到了越來越多的關(guān)注。許多研究人員在該研究領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究。最早是1976年Asakawa發(fā)現(xiàn)高壓靜電場下水分的蒸發(fā)速度會加快。但是目前的研究仍處于數(shù)據(jù)積累階段,且集中于探討電場對水分移動所產(chǎn)生的宏觀表現(xiàn)上。筆者先前研究了高壓靜電場影響蒸餾水蒸發(fā)的因素,結(jié)果表明,不同的電極形式和電場方向?qū)Υ龠M(jìn)蒸餾水蒸發(fā)的效果不同。但是這些研究著重在純物理的層面上,沒有考慮到應(yīng)用的問題?？紤]到實際應(yīng)用的需要,筆者最近研究了單針電極與平板接地電極形成的高壓靜電場對蒸餾水蒸發(fā)的作用范圍,發(fā)現(xiàn)蒸餾水的蒸發(fā)速度與以針尖正下方水面為圓心的半徑呈二次曲線關(guān)系。在該基礎(chǔ)上,筆者進(jìn)一步研究了多針電極與平板接地電極形成的高壓靜電場對蒸餾水蒸發(fā)的影響,通過與單針電極高壓靜電場的比較,對兩針、三針電極高壓靜電場下蒸餾水蒸發(fā)速度進(jìn)行了初步探討,以更好地指導(dǎo)高壓靜電場干燥設(shè)備的開發(fā)和制造。1試驗安裝和方法1.1針電極調(diào)節(jié)板及試驗裝置試驗裝置見圖1,主要由高壓靜電產(chǎn)生部分和蒸餾水蒸發(fā)部分組成。試驗裝置中的試樣容器見圖2。試樣容器由1mm厚不銹鋼板制作,內(nèi)徑300mm,開口深度20mm。試驗裝置中的9為針電極調(diào)節(jié)板,可以調(diào)節(jié)針電極和板電極之間的距離;針電極調(diào)節(jié)板上面有多個針電極孔,可以調(diào)節(jié)多個針電極之間的距離。試驗時,由交流試驗變壓器2產(chǎn)生的高壓交流電(0～60kV)經(jīng)高壓硅堆半波2整流后變?yōu)楦邏贺?fù)電,輸出電壓用高壓電壓表3檢測,系統(tǒng)電流由微安電流表4檢測。1.2蒸發(fā)時間和距離2個針電極的距離是對照試驗前期研究確定了上電極為單針電極時電場促進(jìn)蒸餾水蒸發(fā)的影響范圍。在該基礎(chǔ)上,研究上電極為多個針電極情況下電極的排布方式和電極之間的距離等因素對蒸發(fā)速度的影響。試驗1:首先進(jìn)行2個針電極試驗。取2個試樣容器,分別用數(shù)字天平(ARC120OHAUSUSA)稱量并記錄原始質(zhì)量。分別注入深度5mm的蒸餾水(約為353g)。其中一個放入兩針電極形成的電場中,軸線重合放置,另外一個放在相同的外界環(huán)境中,作為對照試驗。設(shè)定2個針電極之間的距離為60mm,針電極與蒸餾水水面的距離為40mm。針電極上接負(fù)極,電壓為20kV。蒸發(fā)時間為1h,并記錄穩(wěn)定后的電流值。蒸發(fā)完畢后,稱量質(zhì)量。試驗重復(fù)3次。在試驗過程中保持環(huán)境溫度和濕度不變。試驗2:2個針電極之間的距離為90mm,其余條件同試驗1。試驗3:2個針電極之間的距離為120mm,其余條件同試驗1。試驗4:2個針電極之間的距離為150mm,其余條件同試驗1。試驗5:上電極采用3個針電極。3個針電極按照等邊三角形分布,位于等邊三角形的頂點。取2個試樣容器,分別用數(shù)字天平(ARC120OHAUSUSA)稱量并記錄原始質(zhì)量。分別注入深度5mm的蒸餾水(約為353g),精確稱重。其中一個放入三針電極形成的電場中,軸線重合放置,另外一個作為對照試驗。設(shè)定2個針電極之間的距離為60mm,針電極與蒸餾水水面的距離為40mm。針電極上接負(fù)極,電壓為20kV。蒸發(fā)時間為1h。蒸發(fā)完畢后,稱量質(zhì)量和測量溫度。試驗重復(fù)3次。在試驗過程中保持環(huán)境溫度和濕度不變。試驗6:3個針電極之間的距離為100mm,其余條件同試驗5。試驗7:2個針電極之間的距離為160mm,其余條件同試驗5。2上電極為2個針電極時電場下蒸餾的蒸發(fā)速度隨時間的變化蒸發(fā)速度V定義為單位時間(min)單位表面積(m2)水分蒸發(fā)的質(zhì)量(g),可以由下式表示:V=mA?t(1)V=mA?t(1)式中,V為蒸餾水的蒸發(fā)速度[g/(m2·min)];m為在t時間內(nèi)蒸餾水蒸發(fā)去除的質(zhì)量(g);A為蒸餾水蒸發(fā)時的表面積(m2);t為蒸餾水的蒸發(fā)時間(min),該試驗中為3600s。由圖3可知,當(dāng)上電極為2個針電極時,隨著2個針電極之間距離的變大,電場下蒸餾水的蒸發(fā)速度也加快,并且比上電極為單針電極時電場下蒸餾水的蒸發(fā)速度高10%～25%,是對照的4.8～5.4倍。由圖4可知,上電極為3個針電極時,隨著3個針電極之間距離的變大,電場下蒸餾水的蒸發(fā)速度也加快,并且比上電極為單針電極時電場下蒸餾水蒸發(fā)速度高30%～35%,是對照的3.4～3.8倍。通過對上電極為2個和3個板電極時電場下蒸餾水的蒸發(fā)試驗,可以發(fā)現(xiàn)上電極為多個針電極時,電場下蒸餾水的蒸發(fā)速度比上電極為單個針電極時單針板電場下的蒸發(fā)速度要快,但是并不是隨著針的倍數(shù)增長而成倍增長,有10%～35%的增長。這與李法德等的結(jié)論相一致。當(dāng)上電極為多個針電極時,隨著針電極之間距離的變大,電場促進(jìn)蒸餾水的蒸發(fā)速度也有變大的趨勢。這說明針電極之間距離越大,它們形成的電場之間的相互影響越小。但是具體的影響因素還需要進(jìn)一步的研究。3電極內(nèi)電極結(jié)構(gòu)對蒸發(fā)的影響(1)上電極為多個針電極時,電場下蒸餾水的蒸發(fā)速度比上電極為單個針電極時單針板電場下的蒸發(fā)速度要快,但并不是隨著針的倍數(shù)增長而成倍地增長,有10%～35%的增長。其具體原因還不清楚,初步分析認(rèn)為是因為電極之間所加電壓非常高,電場強(qiáng)度達(dá)到500kV/m左右,多針電極下電極形成的電場相互重疊,電場的重疊削弱了電場促進(jìn)蒸餾水蒸發(fā)的