高压静电场下蒸馏蒸发速度的影响因素

高压静电场下蒸馏蒸发速度的影响因素

近年来，利用高压静电站对水蒸发和材料的干燥过程受到了越来越多的关注。许多研究人员在该研究领域进行了大量的研究。最早是1976年Asakawa发现高压静电场下水分的蒸发速度会加快。但是目前的研究仍处于数据积累阶段,且集中于探讨电场对水分移动所产生的宏观表现上。笔者先前研究了高压静电场影响蒸馏水蒸发的因素,结果表明,不同的电极形式和电场方向对促进蒸馏水蒸发的效果不同。但是这些研究着重在纯物理的层面上,没有考虑到应用的问题。考虑到实际应用的需要,笔者最近研究了单针电极与平板接地电极形成的高压静电场对蒸馏水蒸发的作用范围,发现蒸馏水的蒸发速度与以针尖正下方水面为圆心的半径呈二次曲线关系。在该基础上,笔者进一步研究了多针电极与平板接地电极形成的高压静电场对蒸馏水蒸发的影响,通过与单针电极高压静电场的比较,对两针、三针电极高压静电场下蒸馏水蒸发速度进行了初步探讨,以更好地指导高压静电场干燥设备的开发和制造。1试验安装和方法1.1针电极调节板及试验装置试验装置见图1,主要由高压静电产生部分和蒸馏水蒸发部分组成。试验装置中的试样容器见图2。试样容器由1mm厚不锈钢板制作,内径300mm,开口深度20mm。试验装置中的9为针电极调节板,可以调节针电极和板电极之间的距离;针电极调节板上面有多个针电极孔,可以调节多个针电极之间的距离。试验时,由交流试验变压器2产生的高压交流电(0～60kV)经高压硅堆半波2整流后变为高压负电,输出电压用高压电压表3检测,系统电流由微安电流表4检测。1.2蒸发时间和距离2个针电极的距离是对照试验前期研究确定了上电极为单针电极时电场促进蒸馏水蒸发的影响范围。在该基础上,研究上电极为多个针电极情况下电极的排布方式和电极之间的距离等因素对蒸发速度的影响。试验1:首先进行2个针电极试验。取2个试样容器,分别用数字天平(ARC120OHAUSUSA)称量并记录原始质量。分别注入深度5mm的蒸馏水(约为353g)。其中一个放入两针电极形成的电场中,轴线重合放置,另外一个放在相同的外界环境中,作为对照试验。设定2个针电极之间的距离为60mm,针电极与蒸馏水水面的距离为40mm。针电极上接负极,电压为20kV。蒸发时间为1h,并记录稳定后的电流值。蒸发完毕后,称量质量。试验重复3次。在试验过程中保持环境温度和湿度不变。试验2:2个针电极之间的距离为90mm,其余条件同试验1。试验3:2个针电极之间的距离为120mm,其余条件同试验1。试验4:2个针电极之间的距离为150mm,其余条件同试验1。试验5:上电极采用3个针电极。3个针电极按照等边三角形分布,位于等边三角形的顶点。取2个试样容器,分别用数字天平(ARC120OHAUSUSA)称量并记录原始质量。分别注入深度5mm的蒸馏水(约为353g),精确称重。其中一个放入三针电极形成的电场中,轴线重合放置,另外一个作为对照试验。设定2个针电极之间的距离为60mm,针电极与蒸馏水水面的距离为40mm。针电极上接负极,电压为20kV。蒸发时间为1h。蒸发完毕后,称量质量和测量温度。试验重复3次。在试验过程中保持环境温度和湿度不变。试验6:3个针电极之间的距离为100mm,其余条件同试验5。试验7:2个针电极之间的距离为160mm,其余条件同试验5。2上电极为2个针电极时电场下蒸馏的蒸发速度随时间的变化蒸发速度V定义为单位时间(min)单位表面积(m2)水分蒸发的质量(g),可以由下式表示:V=mA⋅t(1)V=mA⋅t(1)式中,V为蒸馏水的蒸发速度[g/(m2·min)];m为在t时间内蒸馏水蒸发去除的质量(g);A为蒸馏水蒸发时的表面积(m2);t为蒸馏水的蒸发时间(min),该试验中为3600s。由图3可知,当上电极为2个针电极时,随着2个针电极之间距离的变大,电场下蒸馏水的蒸发速度也加快,并且比上电极为单针电极时电场下蒸馏水的蒸发速度高10%～25%,是对照的4.8～5.4倍。由图4可知,上电极为3个针电极时,随着3个针电极之间距离的变大,电场下蒸馏水的蒸发速度也加快,并且比上电极为单针电极时电场下蒸馏水蒸发速度高30%～35%,是对照的3.4～3.8倍。通过对上电极为2个和3个板电极时电场下蒸馏水的蒸发试验,可以发现上电极为多个针电极时,电场下蒸馏水的蒸发速度比上电极为单个针电极时单针板电场下的蒸发速度要快,但是并不是随着针的倍数增长而成倍增长,有10%～35%的增长。这与李法德等的结论相一致。当上电极为多个针电极时,随着针电极之间距离的变大,电场促进蒸馏水的蒸发速度也有变大的趋势。这说明针电极之间距离越大,它们形成的电场之间的相互影响越小。但是具体的影响因素还需要进一步的研究。3电极内电极结构对蒸发的影响(1)上电极为多个针电极时,电场下蒸馏水的蒸发速度比上电极为单个针电极时单针板电场下的蒸发速度要快,但并不是随着针的倍数增长而成倍地增长,有10%～35%的增长。其具体原因还不清楚,初步分析认为是因为电极之间所加电压非常高,电场强度达到500kV/m左右,多针电极下电极形成的电场相互重叠,电场的重叠削弱了电场促进蒸馏水蒸发的