（机械设计及理论专业论文）静电涂油机雾化电极分析及实验研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 目前，在静电雾化技术领域的研究主要集中在介质荷电雾化机理、静电雾化实验及数 值模拟仿真等方面。本文是以武汉科技大学生产的静电涂油机为研究对象，在现有的理论 基础之上，对液体在高压静电场和空气流场中雾化的微观机理做出解释。利用气体放电理 论，结合对涂油室高压静电场的有限元仿真，分析空气介质对电场的影响。提出在现有涂 油刀梁上附加针状电极结构，使新结构达到更好的雾化效果。最后通过实验分析液体在高 压静电场和空气压力共同作用下的雾化情况。具体包括以下几个方面。 首先，根据静电涂油机的工作情况，对液体在高压静电场中的微观雾化机理进行阐述， 分析电场强度对雾化的影响，并推导了液体破碎的临界场强；结合尖端放电理论，对静电 涂油机雾化电极的放电过程进行分析，找出了空气介质使刀梁尖端附近电场强度发生畸变 的原因；针对电极结构对电场的影响，提出了附加针状电极的新型刀梁结构。 其次，利用a n s o f tm a x w e l l1 2 有限元软件对静电涂油机涂油室进行建模计算， 验证了空气介质对刀梁电极尖附近场强的畸变影响；对提出的新型刀梁结构进行建模分 析，并和原刀梁电极的电场分布进行对比，得出了相应的结论。 最后，对液体在空气压力下喷雾的微观机理进行分析，并自行设计安装喷雾试验装置 进行实验，观察在有空气压力辅助的情况下，液体静电雾化的效果，并得出空气压力在静 电雾化过程中的作用，为静电涂油机的改进提供新方法。 关键词：静电涂油机；雾化电极；气体放电；有限元分析；气压辅助雾化 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a e t a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c hi nt h ea r e ao fe l e c t r o s t a t i cs p r a y i n gt e c h n o l o g ym a i n l yf o c u so nt h e c h a r g e dm e d i u ma t o m i z a t i o nm e c h a n i s m ，t h ee l e c t r o s t a t i cs p r a ye x p e r i m e n t , t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o na n ds oo n t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ee l e c t r o s t a t i co i l e rp r o d u c e db yw u h a n u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya sar e s e a r c ho b j e c t ，t h em i c r o s c o p i cm e c h a n i s mo ft h e a t o m i z a t i o ni nt h eh i 曲v o l t a g ee l e c t r o s t a t i cf i e l da n dt h ea i rf l o wf i e l dw a se x p l a i n e d a n a l y s i s t h ee f f e c t so fa i rm e d i u mo nt h ee l e c t r i cf i e l db yu s i n gt h et h e o r yo fg a sd i s c h a r g e ，a n dt h ef i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o nt ot h eh i g hv o l t a g ee l e c t r o s t a t i cf i e l do fo i l e rr o o m p u tf o r w a r dt oa d dn e e d l e e l e c t r o d es t r u c t u r ei nt h ee x i s t i n go i l e rb e a m ，i no r d e rt om a k et h en e ws t r u c t u r et oa c h i e v ea b e t t e ra t o m i z a t i o ne f f e c t f i n a l l y , t h ea t o m i z a t i o ns i t u a t i o nw a sa n a l y z e du n d e rt h ec o m b i n e d a c t i o no f h i g he l e c t r o s t a t i ca n da i rp r e s s u r eb yt h ee x p e r i m e n t f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ew o r ko ft h ee l e c t r o s t a t i co i l e r , t h em i c r o - a t o m i z a t i o nm e c h a n i s m o ft h el i q u i dw a se x p o u n d e di nh i g hv o l t a g ee l e c t r o s t a t i cf i e l d ，t h ei m p a c to fe l e c t r i cf i e l d i n t e n s i t yo na t o m i z a t i o nw a sa n a l y z e d ，a n dt h ec r i t i c a le l e c t r i ci n t e n s i t yo ft h eb r o k e nl i q u i d w a sd u d u c e d ；c o m b i n i n gw i t ht h ep o i n td i s c h a r g et h e o r y ，t h ed i s c h a r g ep r o c e s so fe l e c t r o s t a t i c o i l e ra t o m i z i n ge l e c t r o d ew a sa n a l y z e d ，t h er e a s o no ft h ek n i f eb e a me l e c t r o d et i pe l e c t r i cf i e l d s t r e n g t hd i s t o r t i o nf r o ma i rm e d i u mw a so b t a i n e d ；f o rt h ee f f e c to fe l e c t r o d es t r u c t u r eo n e l e c t r i cf i e l d ，t h ea d d i t i o n a ln e e d l ee l e c t r o d eo ft h en e wk n i f eb e a ms t r u c t u r ew a sp r o p o s e d s e c o n d l y ，t h ea n s o f tm a x w e l l12f i n i t e e l e m e n ts o t r w a r ei su s e dt om o d e l c a l c u l a t i o nw i t ht h ee l e c t r o s t a t i co i l e rr o o m ，t h ei m p a c to ft h ek n i f eb e a me l e c t r o d et i pe l e c t r i c f i e l ds t r e n g t hd i s t o r t i o nf r o ma i rm e d i u mw a sv e r i f i e d ；t h ep r o p o s e dn e wk n i f eb e a ms t r u c t u r e w a sm o d e l e da n da n a l y z e d ，a n dc o m p a r e dt ot h ed i s t r i b u t i o no ft h ee l e c t r i cf i e l dw i t l lo r i g i n a l k n i f eb e a me l e c t r o d e ，t h ec o r r e s p o n d i n gc o n c l u s i o nw a so b t a i n e d f i n a l l y ，t h em i c r o s c o p i cm e c h a n i s mo fl i q u i ds p r a y i n gu n d e rt h ea i rp r e s s u r ew a sa n a l y z e d , a n dt h et e s td e v i c ef o re x p e r i m e n t sw a sd e s i g n e da n di n s t a l l e d b ym y s e l f , t h el i q u i d e l e c t r o s t a t i ca t o m i z a t i o ne f f e c ti nt h ec a s eo ft h ea i rp r e s s u r es u p p l e m e n tw a so b s e r v e d ，a n dt h e e f f e c to ft h ea i rp r e s s u r ei ne l e c t r o s t a t i cs p r a yp r o c e s s e sw a so b t a i n e d ，p r o v i d e dan e wm e t h o d f o rt h ei m p r o v e m e n to fe l e c t r o s t a t i co i l e r k e y w o r d s ：e l e c t r o s t a t i co i l e r ；a t o m i z i n ge l e c t r o d e ；g a sd i s c h a r g e ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；a i r p r e s s u r ea u x i l i a r ya t o m i z a t i o n 武汉科技大学硕士学位论文第v 页 符号注释 q ( q ) 液滴的荷电量 只 内部压力 g 嘲 液滴最大荷电量 r ( ，)荷电液滴半径 ，液滴的表面张力 p 静压力 液体粘度系数 液体( 电荷) 密度 ( 咖电位 表面电荷密度 油液液滴荷质比 比例系数( 常数) 介电常数 油液液滴质量 电场强度 空气介电常数 相对介电常数 荷电时间常数 离子电流密度 充电离子迁移率 介质的电导率 外部压力 液滴收缩力 表面电势 膨胀压力 运动速度 气液体的流速差 在r 处的场强 离子迁移率 气体密度 介质的磁导率 充电滞留时间 重力加速度 磁场强度 液体的密度 外部气体压力 表面张力压力 韦伯数( w e b c rn m b 盯) 雷诺数 欧尼索数 昂 p 力 y 屹 耳 6 & ， g 口 所 硌 丹 耽 贴 鳓 见 g 七 譬 m e 岛 q f 墨 盯 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 概述 雾化是将液体通过喷射装置使之分散并碎裂成小颗粒液滴的过程。由于液体相对于空 气或气体的高速运动，或者由于机械能的施加和外力的参与，液体会雾化成各种尺寸范围 的细小颗粒。自然的雾化有下雨、瀑布和海水雾化等。雾化技术的应用主要有以下几个方 面： ( 1 ) 日常生活：草地花园的浇水，洗浴时喷头的喷淋，空气消毒、清洁器，空气加 湿器，灭蚊蝇时使用的杀虫剂，清洗路面的洒水车，喷墨打印，喷雾作画等。 ( 2 ) 医用：挥发性麻醉剂的蒸发和雾化清痰器等。 ( 3 ) 农业：农业灌溉和给果树喷洒农药的喷雾器等，用喷雾器进行农作物给水要比 放水漫灌溉节约更多可贵的水资源，而且农作物的长势良好，这种方法要求雾化液滴的尺 寸不能太小，以便喷射的更远，增大灌溉的覆盖面积 ( 4 ) 生产和工艺流程：雾化反应( 如烘干器、吸收器和汽车烤漆房) ，雾化冷却( 如 雾化池、塔、反应器等) ，雾化湿润，雾化干燥( 如牛奶制品、咖啡和茶叶，药片糖衣， 清洁剂和肥皂等) ，泡沫和乳化剂的制取，表面涂脂( 如环氧树脂、聚酯类等) ，制衣( 包 括表面处理、喷雾印染、纤维和绝缘材料的制作等) ，汽车清洗喷头，粉末冶金，计算机 芯片和半导体的酸碱蚀刻等。 ( 5 ) 消防：雾化后的水滴能够吸收更多的热量，从而有效地压制火势。 ( 6 ) 沥青雾化铺路( 常表现为非牛顿流体) 。 ( 7 ) 燃烧室：汽油机、柴油机、燃气轮机、燃油锅炉、火箭发动机和飞机发动机的 燃料雾化。这些装置的喷嘴在设计、制造方面的精度很高，燃料被雾化成大量小颗粒液滴 后有效的增大了与助燃剂接触的表面积，使得燃料迅速蒸发并与助燃剂充分混合，增强质 量和热量的传递并燃烧完全，减少排放污染。 伴随人们生产及生活需求的不断提高和现代科学技术的迅猛发展，雾化技术得到长足 的进步。雾化可以认为是液体在内力和外力的共同作用下分裂破碎的过程。一方面液滴的 表面张力促使其成为球形，因为这时液滴所需要的表面能最小；液体的粘性也会对液滴几 何形状的变化产生阻碍并使之趋于稳定。另一方面，作用于液体表面的空气动力和湍流的 径向速度分量会促使其碎裂。一旦外部的作用力大于了表面张力，液体就会碎裂成许多小 液滴。研究表明：液体荷电会导致其表面张力降低和内外压力差增加，有利于液体雾化。 因此便形成了一门新的技术，即静电喷雾技术口1 。由于高压静电在细化、均匀液体介质或 固体粉末介质方面有着显著的作用，而且对于提高这些介质在目标物表面的沉积量、均匀 性、吸附性等方面有良好的效果。因此，静电雾化技术在工业、农业，航空航天、医疗卫 生等各个领域得到了广泛的应用，如静电喷涂、除尘、静电喷雾冷却、灭火、燃烧、及静 电农药喷洒等。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 静电雾化技术的研究概况 1 2 1 静电雾化技术的应用现状 高压静电促使液体( 或其它介质) 雾化的技术是一个在高压静电场的作用下导致液体 荷电并破碎成带电小液滴从而进行雾化沉积、吸附的过程【3 1 。这种雾化方式的雾化过程与 常规雾化方式相比有着其自身独特的优点，近年来受到了人们的普遍关注 静电涂覆技术在工业上得到了广泛应用的，其主要目的是为了改善各种工业产品的表 面质量、性能以及外观效果。目前，静电涂敷可以分为两种形式，一种是静电喷涂，另一 种是静电喷雾。静电喷涂是利用静电吸附作用将聚合物涂料微粒涂敷在接地金属物体上， 然后将其送入烘炉以形成厚度均匀的涂层。电晕放电电极使直径5 - 3 0 微米的涂料粒子带 电，在输送气力和静电力的作用下，涂料粒子飞向被涂物，粒子所带电荷与被涂物上的感 应电荷之间的吸附力使涂料牢固地附在被涂物上。一般经2 3 秒，涂层即可达4 0 - 5 0 微 米厚。目前，在仪器仪表、家电、玩具、五金等的表面加工工艺中，静电喷涂技术应用相 当广泛。静电喷雾有两种方式，一种是外部压力起主导作用，静电力起辅助作用下的液体 喷雾，如静电农药喷洒等；另一种是完全依靠高压静电的作用使液体荷电雾化，如静电涂 油机中的油液雾化。两种方式中静电的作用相似，在均匀、细化液滴和提高喷射的液滴在 目标物体表面的均匀性、吸附性、沉积量等有明显的效果【4 】。 喷撒农药的静电喷粉机和静电喷雾机均装设静电喷头，将数百至数千伏的直流高压电 接通到喷头，使药粉颗粒或药液带电，防治目标则由于静电感应效应而产生极性相反的电 荷，从而使药粉颗粒或药液在静电场作用下飞向防治目标。利用静电作用能明显提高药剂 喷洒的命中率，减少药剂的损失和对环境的污染，由于。环抱效应 ，药剂能覆盖到目标 物的背面以增强防治效果。 静电喷漆是在高压静电场作用下，使从喷枪喷出来的漆雾带上电荷，这种带电的漆雾， 向带极性相反电荷的工件表面沉积吸附，并形成均匀的涂膜。静电喷涂中，漆液的利用率 很高，可达8 0 9 0 。主要用于机械、汽车、家用电器等行业。 静电灭火是利用静电作用使水滴或液体介质粒径降低到很小的水平，以增大这些液体 介质的作用面积，从而增强目标区域的作用效果。 在高技术领域，静电火箭发动机属电火箭发动机的一种，与化学火箭发动机不同，所 用的能源与工质分开。静电火箭发动机的特点是比冲高、寿命长( 可起动上万次，累计工 作上万小时) ，但推力很小，适用于航天器的姿态控制、位置保持和星际航行等。静电火 箭发动机的工质( 如汞、铯、氢等) 从贮存箱经过电离室电离成离子，在引出电极的静电 场力作用下加速形成射束。离子射柬与中和器发射的电子耦合形成中性的高速束流，喷射 而产生推力。推力通常在( o 5 2 5 ) x1 0 5 牛之间，比冲达8 5 0 0 - 2 0 0 0 0 秒。 在对钢板的涂油防锈应用中，传统的辊式涂油机是将防锈油淋在毛毡辊上再挤压到 钢板表面，这种方法不可避免的存在涂油不均、涂油量大且不能控制、防锈效果差、污染 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 环境等缺点，而且毛毡辊寿命短，维修量大，备件消耗大，增加了生产成本。静电涂油机 是利用静电使防锈油液雾化并吸附于钢板表面的设备，其涂油均匀、涂油量可准确灵活控 制、节油效果明显且工作可靠、维护检修量小、改善了工作环境。 1 2 2 静电雾化电极的研究 喷雾的基本要求是使液体表面呈波形，这样可以增大液体的表面积，液体表面的不稳 定将导致其碎裂成液线和液滴。在普通的喷雾中，促使液体表面变形的动力主要是空气动 力的作用；而在静电喷雾中，促使液体表面变形的动力则主要是电场力。如果电场力维持 在临界值之内，那么射流将具有连续的液体形式；一旦电场力超过了液体的表面张力，液 体就会变得不稳定，并最终导致液滴的形成。这种促使流体变形、碎裂和雾化的电场力是 由雾化电极形成的电场提供的，雾化电极与电场有着密切的关系，因此，在静电喷雾技术 中对雾化电极特性的研究是非常必要的。 g 豫f 【5 】的研究表面，电场力与喷射系数和加载电压平方的乘积成正比，与液滴直径的 平方成反比；喷射系数则随着液体的导电性和电极的增大而减小。 b a i l e ，6 j 进行了大量的静电喷嘴的实验，结果也表明雾化液滴的尺寸取决于加载电压、 电极的尺寸和形状、液体的表面张力、流动速率和导电性等因素。由于电场强度越大，液 体受到的电场力就越大，雾化质量越好，因而雾化电极电路的主要功能就是能够产生高场 强。雾化电极的输出端具有很高的电压和非常小的电流，经过试验的电极有多种形式，包 括针式电极和青铜锥电极等。 通常，静电喷嘴的流体流动速率非常低，其实际应用限制在喷墨绘画和喷墨打印的范 畴。然而，k e l l ) ，【7 】的发明扩大了静电喷嘴的用途，使静电喷嘴可用于较大燃料流量的燃烧 装置。利用孔式电极的电阻限制电流，在发射电极与孔式电极之间形成电位差，形成的电 子柬穿过孔式电极到达接收电极，并将燃烧室中的气体电离。燃料经发射电极的周围的环 形通道从喷孔喷出，在电子束电场力的作用下碎裂雾化。接收电极安装于燃烧室壁面上， 它接收电子并将其输送回电路。该雾化电极比较特殊，它由插在耐火材料上的许多细小钨 丝探针组成，每个探针雾化的液体体积流量可达l m f s ，直径为l m m 的发射电极就可以 雾化液体质量流量3 0 k 加，能够满足实际燃烧系统的需要。 p h s o n 8 】对针尖毛细管一环电极静电雾化的射流的稳定性进行了理论阐释。其采用将 静电场理论与拉格朗日运动方程相结合的办法，在不考虑液体介质粘性，忽略射流扰动极 小的情况下，总结得出了一个描述射流增速与扰动波长之间关系的线性化的射流扰动方 程。分析计算结果表明，静电场场强递增时将会导致射流不稳定( 液束将要破碎成液滴) 时的临界波长将递减。 上海海事大学的孙明等【9 l 在利用放电等离子体技术脱除水中污染物时，为了提高效 率，采用了一种负电晕放电方式的水处理装置，处理水从放电电极喷嘴进入放电反应室， 经过放电雾化形成小液滴，大大增加了放电等离子体时水中污染物的作用几率，并分析了 不同雾化水流量和不同喷嘴电极直径对该处理器电气特性的影响，并对放电等离子体进行 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 了发射光谱的检测，结果表明：雾化水流量的改变和喷嘴电极直径的变化对处理器的电气 特性无明显影响。 刘际伟等【lo 】通过加装旋转滚筒，对普通表面处理仪难以处理的粉体材料实现了表面 的改性处理。通过电极间距的调整、电极的换位，对多壁碳纳米管成片料经氧、四氟化碳 射频处理后的可浸润性进行了分析；对粉体材料通过采用x p s 、红外分析手段分析了不同 状态处理条件下表面氟元素含量的变化情况。分析结果表明：在加装有机玻璃滚筒后，碳 纳米管射频处理效果降低了，只有将电极换位到滚筒的两端，才不影响材料的处理效果； 粉体碳纳米管本身的强烈团聚是其处理效果不理想的根本原因，只有团聚问题得到解决了 后，射频处理才能显效。 大连海事大学的杨加元等f l l l 通过优化多针电极双极电晕放电方式的电极参数，以提高 放电功率密度。在电晕放电实验中，通过对在不同电极间距d 和不同相邻针尖间距s 条件 下与放电功率密度p 的关系进行分析，结果表明：放电功率密度p 随d 下降，在d 约为3 2 m 时，放电具有最大可注入功率密度：p 随s 的增大总体呈下降趋势，但在1 2 2 2 m m 区间 时变化不大。同时考虑放电稳定性和放电功率密度可优化s 为1 6 r m 清华大学朱俊华等f 1 2 1 介绍了一种基于m e m s 技术的雾化微喷的设计、仿真、加工和 实验结果。该微喷以压电效应为驱动方式，通过压电片振动所产生的压力使液体从阵列微 喷孔中喷出，所产生的液滴直径和速度分布集中，无热效应，不会破坏药液的物理和化学 特性。通过有限元仿真分析了微喷液体腔内压力波的分布，并根据仿真结果优化了微喷孔 的布置。实验结果表明该微喷所产生的液滴平均直径1 51 tm ，平均速度3 m s 。 武汉科技大学王家青【i3 】根据电磁场基本原理和有限元数值计算方法，利用a n s o f t m a x w e l l 有限元软件对静电涂油机刀梁电极形成的高压静电场进行仿真分析，通过计算刀 梁电极附近电场强度的大小，分析了外加电压、涂油室宽度、刀梁电极长度、刀梁电极与 钢板距离等参数对场强的影响。研究发现，涂油室中电场强度的增大有利于油液的雾化， 从而在理论上验证了油液在静电场中的雾化规律，为更深入研究静电涂油机雾化机理提供 了一定的依据。 综上所述，国内外很多研究人员对于电极的研究做了大量工作，得出许多有用的结论， 并在静电雾化技术中得到了广泛的应用，但是有些结论是在做出一定假设的前提下得出 的，没有考虑到雾化液体自身的内部特性和外界环境的影响，因此分析结果与实际情况往 往存在较大的区别。电极的结构形式的不同给研究工作带来巨大的困难，我们目前仅能针 对某种具体结构形式下的电极进行定性的分析，并没有一个统一的数据理论依据。目前许 多静电雾化技术方面的文章把注意力集中在雾化电极电极内部的结构参数、射流长度、雾 化电压等对雾化性能的影响，很少有研究喷雾电极周围其他介质对雾化性能的影响关系。 1 2 3 静电雾化技术的实验研究 静电雾化现象早在几百年前就已被人们发现，上世纪初静电雾化技术开始为人们所认 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 知并被人们所利用。人们根据生产生活所需发明了各种静电雾化装置，主要用于均匀和细 化不同液体介质以达到涂抹目标物的目的。由于荷电、雾化过程的复杂性和各种雾化装置 结构形式的多样性，静电雾化技术的理论还不够完善。虽然现在对静电雾化的过程实质有 了越来越深刻的认知，但其中仍然存在很多问题尚待解决。 j e o n gh e o nk i m 掣1 4 】对气流在加有抗静电剂的庚烷静电雾化中的影响进行了实验研 究。实验中对雾滴的运动速度和雾滴的直径采用p d a 系统进行测试，对荷电射流的破碎 过程进行可视化观察。实验结果表明，充电电压对液体的静电雾化起主要作用。在电压不 变的情况下，雾滴粒径呈双峰特性分布；随着电压的逐渐升高，气流对雾化的影响减弱； 雾滴运动速度与雾滴粒径之间的关系反应了液体静电雾化的动力特性。 i m p e r i a lc o l l e g e 1 5 】采用摄影方法及p d a 系统对煤油的荷电雾化中雾滴粒径的大小及 速度的分布也进行了实验测试。实验结果表明：雾滴粒径也呈双峰特性分布，雾化中心周 围的小雾滴荷质比大，惯性小，在小流量时向四周扩展。 r o s e l l l l o m p a r t 1 6 】通过一个加有高电压的锥形喷嘴，对高导电率的液体进行了雾化实 验，并采用粒度分析仪对雾滴进行测试。测试结果表明可获得o 3 4 微米的雾滴，且雾 滴直径呈现单分散性。 北京航空航天大学的杨立军等f 1 7 l 建立了喷嘴动态特性试验系统来研究喷嘴的动态特 性，并用水作为模拟介质，使用高速动态图象测量仪器，对离心液膜破碎距离、离心喷嘴 喷雾场轴向速度、表面波波长等参数进行初步的分析。分析结果表明：在脉动工况下，喷 嘴几何特性系数的变化及喷嘴压降对离心液膜及喷雾场轴向速度等相关参数影响较大。 河北大学静电研究所的李庆等【1 8 】为了寻求雾化电晕放电的最佳雾化状态，提高微细 粉尘的凝并效率，对雾化电晕放电进行了实验研究。研究表明：因雾化机理不同，液体的 喷射在4 0 k v 电压前后表现出稳定射流和离散液滴喷射两种不同雾化的形式，并且不受雾 化电极直径与溶液体积配比的影响。 江苏大学的王贞涛等【1 9 】从如何有效的提高烟气脱硫效率、燃油燃烧率及药剂灭菌效 率等出发，对平口雾化喷嘴在针一环状组合电极下的喷雾特性进行测试。得到了雾滴荷质 比、雾化角、沉积量分布、p i v 雾化流场图象、射程及索太尔( s m d ) 平均直径等信息，并 以此进行分析。实验结果表明：高压静电使液体的粘滞阻力和表面张力减小，液体更加容 易破碎成细小液滴且尺寸分布更加均匀。荷电后的雾滴在高压静电场的作用下发生二次雾 化，使雾滴粒径进一步减小。带电雾滴受电荷之间斥力的影响，使得弥散程度增加，并在 目标物感应出与自身极性相反的电荷，这样在引力、极化力等作用下更容易吸附于目标物。 汪朝晖【2 0 】主要针对武汉科技大学自主研发的静电涂油机在工作时油液在高压静电场 中的荷电机理进行研究，并对油液雾化过程进行了实验分析，实验过程中分别以雾化角和 射流长度为主要参考指标，对静电涂油机的结构参数，防锈油液的物理特性等进行分析研 究，结果表明：刀梁结构、刀梁与钢板之间的距离、电压、油液的流动大小均对静电涂油 机的雾化角和射流长度产生影响。 综上所述，各研究者对不同的雾化模式开展了广泛的实验研究，并根据各自雾化装置 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 结构特性以及不同雾化模式建立了雾化模型，进行了各种实验分析。根据实验结果归纳总 结出了各种雾化模式下的理论公式，对雾化介质的物理属性、雾化装置系统的结构参数和 运行参数等各影响因子都进行了评判，得出了影响雾化效果的各种因素，在研究问题时有 一定的借鉴价值。但由于介质荷电雾化时受到喷射电压、介质物理属性、喷嘴结构形式等 多方面因素的影响，一般研究者所做的实验工作往往是在某一特定状态下进行的，因而存 在一定的片面性，缺乏较系统和全面的理论论证。 1 3 静电涂油设备的研究概况 1 3 i 静电涂油机的产生及其结构 人们一直在为减少金属板带材的腐蚀磨损而不断采用新的表面涂覆技术，同时也在不 断采用新的喷涂工艺及设备，为减少喷涂油液的用量和提高不同油液介质的防锈特性而努 力研究。近来研究者们对新型静电喷涂设备喷雾特性的应用研究越来越深入和广泛，对于 冶金机械行业来讲，静电涂覆技术在对改善金属板、带材等涂装品的表面质量性能，以及 改善设备的外观效果方面具有很大的应用价值，静电涂油机就是这样一种用于金属防锈处 理的高科技静电喷涂设备。 武汉科技大学静电涂油机课题组研制的静电涂油机借鉴吸收了国外多种静电涂油设 备的长处，是目前冶金机械精整线上常用的表面处理设备。在对国外同类产品的基础上， 加入了各种新技术，比如油液的二次雾化技术，钢板卷带材的连续雾化技术，此外还采用 了自主创新的下刀梁斜喷雾化技术。由于本静电涂油设备具有油耗低( 可循环利用) 、故 障少、价格低、涂油质量好等优点，受到各厂家的充分肯定阱1 。 静电涂油机主要由直流高压电源、低压电控装置、涂油室、供油系统、控制台等部分 组成。高压直流电源由高压控制柜与变压器组成，低压电控装置由低压控制柜与操作台组 成；涂油室内装有油液荷电雾化装置及其支吊小车、导板等部件；供油系统包括供油泵站、 回收油箱、循环加热泵站等部件；涂油室的结构如图1 1 所示，涂油室一端的上下部位各 置一汽缸，下部气缸用于驱动活动导板、上部气缸用于传动涂油室内的挡油板动。循环加 热小泵站放置在钢板焊成的涂油室外壳顶部，用来对涂油室内的喷油刀梁进行加热，顶部 还置有高压电缆架、高压放电限制装置和高压警示灯。 为了保证喷嘴下方的带钢头部和尾部能顺利通过涂油室，在涂油室下方还设置有活动 导板，当其移动时，带动带钢端部和弯曲带尾顺利通过涂油室。刀梁在工作时，活动导板 还可以挡住出油的刃口以防止其受到铁屑，氧化物、杂质灰尘等的影响。为了保证喷油刀 梁的正常工作，涂油室内还设置了防卫导板以防止喷油梁不被行进中的钢板撞坏，此导板 选用强度较高、韧性较好的合金材料制作。涂油时为了使上导板的下表面不致吸附油雾凝 聚成油滴，落在被涂油钢板上，影响涂油质量，一般采用的是含杂质较少、电导率极低的 绝缘材料制作。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 图1 1 静电涂油机涂油室剖面图 1 、二次加热油箱2 、涂油室机体3 、活动接油槽4 、上涂油刀梁及其悬挂移动装置 5 、上导板6 、移动导板装置7 、二次雾化装置8 、下涂油刀梁及其悬挂移动装置9 、下导板 1 3 2 静电涂油机的工作原理 静电涂油机的工作原理如图1 2 所示。长直刀梁的长度方向垂直于带钢或板材的行进 方向，即板带材从垂直于固定喷油梁的方向穿过。大多数静电雾化装置系统都是将刀梁电 极接高压直流静电源的负极，电控装置输出2 0 6 0 k v 的高压，而待涂覆的板带材接地( 正 极) 因处于接高压电源产生的强电场中场强越大，这种碰撞电离效应越剧烈，使喷油梁 与钢板( 带) 之间的离子数快速增，因而油液荷电雾化效果明显。 上刀梁在喷雾的过程中，若不加负高压，油液在自重下首先是稀疏而分散的自由往下 正常滴落，当刀梁电极加上负电荷之后，在尖端电极电晕放电作用下，油滴荷电后至脱离 刃口一定距离后便散开成小颗粒，这些小粒径的油滴在电场作用下会进一步微粒化，离喷 油梁刃口越远的地方油滴粒径变得越小，小粒径油滴数量随之越来越多，渐成油雾，如同 瀑布倾泻而下所形成的油雾，最终沉积并吸附在钢板的上表面。下刀梁往上喷油时，下刀 梁电极在外加直流高压的作用下，产生的静电力是重力的几十倍，所以能轻易克服油滴自 身的重力而向上喷去，此外，由于带上电荷的油滴分子极性与钢板极性相反，因而会牢固 的沉积并吸附在钢板的底面上 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 涂油刀粱 | l 1 i i | l l il i l il l i | li i l ii li i i 雾化油液i | l l | | i i ii i | i i i i | l i li | l i i ii | i ii i | i i ii | l ii ii i | | i li l i ( a ) 从喷油刀梁端部看( b ) 从喷油刀梁长度方向看 图1 2 静电涂油机喷雾原理图 1 、供油系统2 、涂油刀梁3 、高压发生器4 、钢板( 钢带) 5 、输送辊道6 、涂油室 1 4 本文的课题来源、研究意义、研究目标及研究内容 1 4 1 本文的课题来源 1 板带静电涂油机( w j b ) 的研制，国家重点新产品计划资助项目( 2 0 0 6 g r d l o 0 0 4 ) ； 2 静电涂油机新型喷油刀梁的关键技术研究，武汉市学科带头入计划项目 ( 2 0 1 0 5 1 7 3 0 5 5 7 ) ： 3 静电场中针板电极荷电液体射流的雾化研究，湖北省教育厅科学技术研究计划优 秀中青年人才项目( q 2 0 1 1 1 1 0 8 ) ； 4 高压场致荷电下绝缘液体裂变实验及机理研究，湖北省自然科学基金 ( 2 0 0 9 c d b 3 1 4 ) 。 5 高压静电场中绝缘液体的液滴裂变研究，冶金装备及其控制教育部重点实验室开 放基金( 2 0 0 9 a 0 2 ) 1 4 2 本文的研究意义 本课题以武科大静电涂油课题组研制的线板电极喷雾结构为研究对象，通过自制雾化 试验装置，对液体在高压静电场和空气流场中雾化的微观机理进行阐述，并利用气体放电 理论，结合对涂油室高压静电场的有限元仿真，分析空气介质对电场的影响。提出在现有 涂油刀梁上附加针状电极结构，使新结构达到更好的雾化效果，最后通过实验分析液体在 高压静电场和空气压力共同作用下的雾化情况。为今后的静电喷涂技术提供理论基础和实 验依据，为静电涂油机的改进性应用研究打下坚实的基础。 1 4 3 本文的研究目标 通过液体雾化的理论分析，对雾化过程中液体的破碎机理做出解释。对静电涂油机涂 油刀梁电极的放电过程做出理论分析，得出空气介质使得尖端电极附近电场发生畸变的原 因和结果，并对结果进行有限元分析的验证。提出刀梁附加针状电极的改进结构，对新结 构电极和原刀梁电极的电场分布进行有限元对比分析，并得出新结构的优缺点。最后，自 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 行设计安装试验装置，分析液体静电雾化在有空气压力辅助时的雾化情况，为新型静电涂 油机的研制提供一条新的思路。 1 4 4 本文的研究内容 l 、根据静电涂油机的工作情况，对液体在高压静电场中的微观雾化机理进行阐述， 分析电场强度对雾化的影响，并推导了液体破碎的临界场强。 2 、结合尖端放电理论，对静电涂油机刀梁电极的放电过程进行分析，得出空气介质 使刀梁尖端附近电场强度发生畸变的原因；针对电极结构对电场的影响，提出附加针状电 极的新型刀梁结构。 3 、利用a n s o f rm a x w e l l1 2 有限元软件对静电涂油机涂油室进行建模计算，验 证空气介质对刀梁电极尖附近场强的畸变影响；对提出的新型刀梁结构进行建模分析，并 和原刀梁电极的电场分布做对比，得出相应的结论。 4 、对液体在空气压力下喷雾的微观机理进行分析，并自行设计安装喷雾试验装置进 行实验，观察在有空气压力辅助的情况下，液体静电雾化的效果，并得出空气压力在静电 雾化过程中的作用，为静电涂油机的改进提供新方法。 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章高压静电场中液体的雾化机理 雾化可以认为是液体在内力和外力的共同作用下分裂破碎的过程。一方面液滴的表面 张力促使其成为球形，因为这时液滴所需要的表面能最小；液体的粘性也会对液滴几何形 状的变化产生阻碍并使之趋于稳定。另一方面，作用于液体表面的空气动力和湍流的径向 速度分量会促使其碎裂。一旦外部的作用力大于了表面张力和粘滞阻力，液体就会碎裂成 许多小液滴，在破碎达到一定程度后，就会形成雾状，即液体被雾化。在高压静电场中， 液体的雾化有其自身独有的特性。在高压电场的作用下，液体高度带电，可以完全依靠静 电力的作用促使其破碎成带电小液滴，静电涂油机正是利用这一原理使防锈油液荷电雾化 并均匀吸附在金属板带材表面。油液雾化效果的好坏是评价静电涂油机涂油质量的重要指 标，因此对液体在高压静电场中的雾化机理研究具有很大的现实意义。 2 1 高压电场中液体的荷电过程 2 1 1 高压电场中液体的荷电原理 世界上任何一种物质都是由原子构成，而原子是由中心带正电的原子核和核外带负电 的电子所组成，电子在核外较大空间内做高速运动。在正常情况下，核外电子带负电荷的 总数与原子核带正电荷数相等，因此原子不显电性，整个物体也呈中性。原子核中正电荷 数量难以改变，而核外电子却能脱离原子核的束缚，转移到别的物体上。当物体失去电子 时，原子核带正电荷的数量就要大于电子带负电荷的数量，从而显正电性；相反，通常情 况下呈中性的物体得到电子时，它就会显负电性。 液滴荷电的基本方式可以分为以下几种情形f l 】，如图2 1 所示。( a ) 是正、负离解离 子相等时液滴的带电状态；( b ) 为偶电层分布在液滴表面的状态；( c ) 是液滴受到外界电场 的作用由感应极化产生感应电荷的带电状态；( d ) 为外界直接供给电荷的状态；( e ) 是液滴 分裂时的带电状态。其中，( a ) 一( c ) 为液滴没有过剩电荷的电中性状态，( d ) ( e ) 为存在过 剩电荷的状态。在实际情况中，往往是以各种带电状态混合存在。 0o ( a ) 0 ( d ) ( e ) 图2 1 液滴的带电模型 ( c ) 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 为了使液体等物质带上电荷，在技术的应用角度上，我们主要考虑过剩带电的状态， 特别是像绝缘液体这样电导率较低的物质，通过外加电场的作用物质是怎样带上过剩电荷 的，如何能使液体更容易、迅速地带上电荷是目前研究的主要方向。 静电涂油机中防锈油的荷电过程就是通过外部电源使其强制带电的过程，如图2 2 所示。静电涂油机正常工作时，喷油刀梁与高压电源负极接通，刀梁与钢板之间形成高压 静电场，防锈油从入口端进入刀梁内腔，通过接触感应而被荷电。当油液沿刀梁缝隙滴落 时，在刀梁尖端处由于电晕放电而使其第二次荷电，当油液离开刀梁进入梁板电场之间时， 受到电场感应和空间感应电荷的影响，油液表面将会继续被荷电。 图2 2涂油机中油液的荷电 1 、油液入口端， 2 、刀梁内腔，3 、刀梁缝隙，4 、涂油刀梁( 尖端电极) ，5 、钢板 2 1 2 高压电场中液体荷电量的分析 根据静电学原理可知，离子电流的形成是液滴不断吸附离子的结果，电流密度为： l 。= p x b x e ， ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中：b 为离子迁移率；p = g ，为离子电荷密度；巨表示的是，处的场强。 因此总电流即是电荷在离子上的增加速率； 鲁= 肛= 觚矿 ( c o s 9 一丢灿甜锹矽= 眺矿加咿 ( 2 2 ) 上式可以积分简化为： 驰，= 去去2 蒜g 嘣 注3 ) 对于液滴的荷电量，是由电晕放电形成的离子在外电场的作用下，与液滴发生碰撞从 而被荷电的，我们可以认为是9 = g 懈而t r 由静电学原理可知，液滴在电场中得到的电量饱和状态时为： g 眦= 4 昭。广2 印 ( 2 4 ) 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 式泡4 ，2 去 毗例邮羔= 4 ，r g o r 2 e 去羔 旺5 ， 式( 2 5 ) 中：，液滴的半径o f 前电时间常数； e 电场强度： 占、液滴、空气的介电常数。 式( 2 5 ) 中f ；鱼誊坐，f 表示离子电流密度，p 表示离子空间电荷密度，同时 弘p i 从公式( 2 5 ) 也看出荷电量与时间的关系。在理论上，只要经过足够长时间，液滴的荷 电量就能达到最大值g 眦，但实际上当t = l o t 时，液滴的荷电量g 就能达到g 一的9 1 ， 所以在此时就可以认为荷电基本结束。因此，我们用荷电时间常数f 来描述荷电的快慢。 f 越小，荷电速度也就越快汹1 从公式( 2 4 ) 中可以得知：饱和带电量g 一与电场强度e 成正比关系，通过提高e 可 以增大g 一从荷电时间来看，如果荷电空间的离子电流密度f 减小，则荷电时间常数变 大，相应的荷电所需要的时间变长。由于我们需要使液滴在较短的时间内获得尽量多的电 荷，这样就必须增大荷电空间的电场强度e 和离子电流密度i 。此外，由式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) 可以得出，g 一与液滴半径的平方成比例，与离子电流密度f 无关；荷电时间常数f 由e 和 f 来决定而与液滴的大小无关。 为了让防锈油液这样的绝缘液体充分荷电，需要使电场强度达到5 1 0 9 v m 以上。由 公式e = c p 3 可知电场强度与导体的曲率半径成正比，因此可以用曲率半径较大的尖端电 极来实现高场强。s e l a w 得出雾滴电晕荷电的荷电量计算公式如下： g = f i t + 2 是】4 f f e o e r 2 ( 2 6 ) n e k , 一 二， 式( 2 6 ) 扎产蠢一所获螨珊甄 4 e o 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 g 雾滴荷电量，c ； 七雾滴介电常数； ，雾滴半径，朋； f 充电滞留时间，s ； p 电子电荷，1 6 l o 。9 ，c ； 充电离子浓度，粒子数m 2 ； 墨充电离子迁移率，朋2 ( v j ) ； e 电晕放电形成的电场强度，v m ； 岛空气介电常数，约为8 8 5 x 1 0 q 2 ，c 2 n m 2 ； 2 2 高压电场中液体的破碎机理 2 2 1 液滴的受力状态 。 理论上，悬浮在高压静电场中的带电液滴受到了外力和内力的相互作用，外力包括液 体压力、电场力、气动力等，内力主要有液体的粘滞阻力和表面张力。其中电场力包括高 压电场电极与带电液滴之间，电场中被电离的空气以及其它粒子与液滴之间的共同作用 力。在液体受到的内力中，表面张力试图使液体变成球形，因为球形液滴所需的表面能最 小；粘性力则会抵制液体原有形状的任何变化