（流体机械及工程专业论文）溴化锂溶液静电雾化强化吸收的基础研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 在热 质分离的喷雾吸收器中 溴化锂溶液的雾滴分布 速度特性等喷雾特 性直接影响吸收性能 并对吸收器的设计起到重要指导作用 在现有实际运行的 喷雾吸收器中 普通压力雾化产生的雾化粒径大于吸收器最优化性能所需要的雾 滴粒径 且雾滴粒径在空间与时间上分布不均匀 另一方面 在吸收器有限空间 内 压力雾化产生射流速度较大 限制了吸收器的吸收效率和吸收式制冷机组实 现小型化的进程 静电雾化在提高雾化质量 控制流场以及降低雾化能耗等方面具有明显的优 势 同时引入的高压静电场能改变雾滴活性 降低传质过程的活化能 增强液滴 与周围介质的传热传质作用 本文对溴化锂溶液静电雾化特性 荷电特性以及静 电场强化吸收基础理论进行了相关研究 主要工作及结论如下 1 在毛细管一环状感应电极配置微流量条件下溴化锂溶液的静电雾化特性和 介质物性对静电雾化特性的影响进行了实验研究 研究结果表明 静电力是溴化 锂溶液雾滴破碎的主要动力 表面张力是液滴破碎的主要阻力 高电导率为其提 供较高的荷电能力 在锥射流状态下 雾化射流稳定 粒径谱窄 液滴变形率较 大 库仑力在溴化锂溶液的液滴破碎 粒径均匀性及液滴变形等方面产生重要作 用 为静电雾化改善溴化锂溶液雾化质量及强化传质提供了实验依据 2 对静电喷雾溴化锂溶液雾滴粒径进行了测量 采用粒子图像速度场仪 p i v 对静电喷雾流场进行了测试 研究结果如下 荷电液滴碰撞几率减小 索 特尔平均粒径减小 粒径分布均匀性提高 且一定电压范围内 雾化质量随电压 升高改善越明显 静电喷雾射流宽度增大 射流贯穿距和射流速度减小 喷雾区 含气率增大且在射流边缘区域出现卷吸涡 3 在获得喷嘴及电极环附近静电场数值计算结果和雾滴荷质比实验结果的 基础上对荷电液滴进行了受力计算并从无量纲角度分析了力对荷电液滴运动产生 的影响 研究结果表明 最大场强出现在喷嘴处 荷电液滴的主要受力为空气阻 力 静电力 库仑斥力与重力 静电力仅对少数极微小液滴运动有作用 库仑斥 力对射流区域的较大液滴运动产生影响 是雾滴扩散更加明显 喷雾区扩大及射 流区含气率增大的重要原因 4 总结和分析了单液滴吸收水蒸气过程中伴随的传热传质理论以及电场作 溴化锂溶液静电雾化强化吸收的基础研究 用下强化气液两相之间传质过程 基于实验数据对高压静电场引起的溴化锂溶液 雾化液滴界面上的环流速度进行了计算 具体分析了电场对液滴传质过程的强化 作用 为高压静电场强化液滴传质过程的深入研究奠定了基础 关键词 溴化锂水溶液 静电雾化 p 作用力 泰勒循环 传质 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t d r o p l e t sd i s t r i b u t i o 璐a n dv e l o c i 哆c h a r a c t e r i s t i c s0 fl j t h i 啪b r o m i d cs o l u t i o nh a v e 粗蛔p o r t 独tr o l ei nt 1 1 e 咖d y0 fv a p o ra b s o 巾d o n 觚dac o m p a ds p r a ya b s o r b e rd e s i 印 b 勰e d0 nh e a t 锄dm 弱st f a i l s f e rs 印a r a t i o n 姗e r i nm ea a t i l a lo p e r a t i n gc o n d i t i o 璐 t h ea b s o r p t i o nc o e 伍c i e n t 锄di t se f f i c i e n c yw e r el i i i l i t e d d u et om ev e l o c i 哆f r o i nm e p r e s s u r e d r i v e ni n j e c t o rw 弱t o of 犯t 趾dt l l ed r o p l e t sw e r em u c h l a 唱e r 廿l 姐 l e r e q u i r e i n e m0 f t l l e0 p t 疵 i z e da b s o r b e r 孤da l s ot m s i e n t e l e c t o s t a t i ca t o m 娩a t i o nh 蕊m 姐ys i g m f i c a n ta d v a n t a g e si i li i 印r o v i n gn u i d a t o m 娩a t i o n n u i dc o n t r o la n de n e 玛yc 0 i l s u m p t i o n川u c t i o n m e a l l w l l i l e t h e l l i 曲 v o l t a l g ee l e c 昀s t a d cf i e l dc h a i l g c s l em o l e c t l l e sm o b i l i 奶r e d u o c s 出ea c t i v a 曲n e n e 曙yo fm 硒st r a i l s f c r 孤l dc o n s e q u e n t l y e i l h 锄c e sh e a t 觚dm 勰s 仃 m s f e rb e 锕e e n d r o p l e t sa i l dc 0 n t i i l u o 惦p h a s e r e l a t c dr e s e a f c hh 酷b e e nd o n e t 0d e t e m l i 北t l l a t e l e c 昀s 谢ca t o m 娩a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 觚dc h a 唱i n gp e f f b 衄姐c eo fl i t h i m nb r o m i d e l 而o n 弱w e u 筋廿l eb 嬲i c 慨r y0 fh c a t 觚dm 嬲st m s f e re n h 趾c e m e n t 蛐d e r e l e c t r o s t a t i c 丘e l d i i i v e s t i g a t i o nw 弱p e r f b 衄e df o re l e c t r o s 伽ca t o m 讫a n o nd h a r a c 把r i s t i c so fl i m i 眦 b r o m i d es o l u t i o n m e 触w h i l et l l ei i l c e n 咖ef o r h e a t 锄dm a 豁仃a i l s f e re n h 姐c e m e n tb y h i g l l v o l t a g ee l e c t r o s t a t i cf i e l dw 弱觚a l y z e do nt 1 1 e o r y r e s e 删1r e l a t e di sd e v e l 叩e d 弱 f o l l o w s 1 e x p e 曲e n t a li i l v e s t i g a t i o nw 弱p e o 咖e d f o rm ee l e c 昀s t a 雠a t o m k 撕o n c h a r a c t e r i s t i c s0 fl i t h i 啪b r o m i d es o l u 曲n 锄dt t l ee 晚c t so fm em a t i e r i a lp r o p e r t i e s0 f 廿l el i q u i d so ne l e c t r o s t a t i ca 幻m 切d o n 吼d e rc a p i l l a r y 锄l d a re l e c t r o d ec 0 i g u r a t i o n i tw 弱c o n d u d e dm a tt h ee l e c t r i c i 哆f o r c ew 硒m e m a j o rp o w e rw h i l e 廿l es u r f a c et c 璐i o n w 勰m em a j o rr e s i s t 锄c eo nd r o p l e tb r c a k u po fl i t l l i 眦b r o m i d es o l u t i o n h o w e v e ri t s h i 曲e l e c t r i c a lc o n d u c 曲i 哆m a d ci to w nl l i g l l e rc h a 唱i n gc a p a d 够h 1a d d i t i o n m es p r a y j e tk e p ts t e a d yw i t l lan a r r o ws i z es p e c t m mm e rc o n e j e t 姐dm eb i g g e s td e f 0 咖a t i o n r a t e0 fad r o p l e tw a s1 a f g e r a ut h e s eb a s i cr c s e a f c hi n d i c a t e d 廿l a tt l l e b u l o m bf o 哟 h a d 趾i n l p o r t a n tr o l eo nd r o p l e td i s t o n i o na n db r e a l u p d r o p l e ts 娩eu n 渤m i 够锄d d f o p i e td e f b n n a t i o n w h i c hp r 0 v i d e dt h ce x p e r i m e n t a lb a s i sf o ri i n p r o v i i 培s p r a y i n g q u a l 蚵0 fl i t h i 哪b r o m i d es o l u t i o nb y 舭c h a 晒n gm e m o d 2 t h ed r o p l e ts 娩e0 fl i t h i u mb r o m i d es o l 砸o nw 勰m e a s u r e da i l dt h en o wf i e l do f s p r a yw 勰t e s t e db 嬲e do np r t h cd r o pc o a l e s c e n c ep r o b a b i l i t r 柚dt h es a u t e rm e 觚 溴化锂溶液静电雾化强化吸收的基础研究 d i 锄e t e r s m d w e f es i 印i f i c a i l yl e 鼹 m eu i 曲m i 锣o fs i z ed i 舳u t i o n w a s i i l c r e a s e df o rt l l e c h a 唱e ds p r a y 也ej e tw i d t hw 弱s i 割赶 锄眦yw i d e r 也e ni n 也e n o n c h a 喀e dc a s e m ej e tv e l o c i 哆b e c 锄ed e c r e a s e da n dm ev o n e xn o w s 印p e a r e d 证 l ej e tc d g ea r e ab e c a u s e0 fe n t r a i l l m e n tp h e i l o m e i l o n w h i l et l l eg 雒r a t et e n d e dt ob e i i 培 m o r e 3 n l ee l e c t r o s t a t i cf i e l dg e n e r a t e db y 血g l i k ee l ec t r o d e 锄dn o z z l ew 弱s i m u l 砒e d 缸l dt h ee x p e r i m e n to fc 量瞰g e m a 蹈一r a 缸ow 弱p e r f b 彻e d b 嬲吠10 nw l l i c h t l l em a i n f o r a se x e n e di nad r o p l e tb ye l e c t r i c 僦dw e r ec a l c l l l a t e da n d 觚a l y z e d 1 k c a l c u l a d o 璐s h o wt l l a tm el l i g h e s te l 洲c i 锣f i e l ds t r c n g ma p p e a r e do nn o z z l e 锄d 舭 e l e c t r i c i t yf o r c ch a dn oi i l l p a c to nd r o p l e t se x c e p tf e w e rm i c r o d r o p l e t s h o e e r t l l e o n 曲i cr 印u l s i o nb e 翱陀e nd r o p l e t st o o kar o l ei nt i l em o t i o n0 fm o s td r o p l e t si n m o s to fj e tr e 百o n w h i c hc a l l s e dm o r ed b v i o l l sd r o ps p r e a da n dl l i g l l c rg 弱r a t c 锄o i 培 j e tr e 百o n 4 耵l e 玳魍 a ls t i l d i e s 枞h e a ta n dm 弱st f 觚s f e fd u r i i 喀a b s o 叫0 n0 fad r 叩觚d m 蕊s 仃 m s f e re i l i l a j l c c m e n tu n d e re l e c t r i c6 e l dw e r er e v i e w e d b 弱e do nt l l ee a d i e r e x p e 胁e n t a id a t e s m em a x i i n u mv e l o c i 哆o fan u i dn o wa tt h eb r o m i d el i t h i 啪 d r o p l e t s 跚f f a 鹏诋l l 脱db yt l l ea p p l i e de l i 毒c t m 僦dw 弱c a l c t l l a t c d m e 锄w h i l et l l e s i g i l i f i 啪ti i l c r e 弱eo fm a 鼹孤l dh e a t 仃a i l s f e rl e a db yn o wv e l o c i t yw 弱a n a l y z e d r e s e 鲫c ho f 恤et h e s i sp r o v i d e sr e f e r e n c e sf o rf u r t h e rs t l l d y0 fa b s 0 巾t i o ne n h 雒c e m e n t m n e r t l i g h v o l t a g ee l e c t r o s t a t i cf i e l di i lg a s l i q u i dt w o p h a s en o w k e yw o i m s i j t h i 唧b r o m i d ea q u e o u ss o l u t i o n e l e c t r o s t a t i ca t o m i z 撕o n p i v f o r c e s t a y l o rd r 饥l a t i o n m 弱s 仃a 璐f e t 江苏大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 课题研究的背景和意义 目前 我国城市建筑物能耗占城市总能源消耗的比重很大 而空调能源消耗 占建筑能源消耗的很大比例 中国家用电力空调器 包括分体机 超过1 亿台 且大都使用c f c 类工质 不仅使我国冬夏季能源供应紧张 而且造成了臭氧层破 坏和温室效应加剧等问题 面对全球能源匮乏和环境恶化的现实 如何开发清洁 能源和使用节能设备 已经成为空调在内的众多耗能设备开发 制造的迫切要求 以热能为动力的溴化锂吸收式制冷能源利用范围广 具有三个重要特点 1 能 利用低势热能 余热 废热 排热 使溴化锂吸收式制冷机可以大量节约能耗 2 以热能为动力 溴化锂吸收式制冷机比利用电能为动力的压缩式制冷机明显 节约电能 3 采用水作为制冷剂对环境无任何公害 不仅实现了对可再生能源 的有效利用 而且节能环保 成为电压缩空调较好的替代方式 然而 现在市场上销售的和厂家正在开发的溴化锂吸收式制冷机一般都体积 庞大且价格昂贵 驱动热源温度要求也比较高 1 而目前使用太阳能集热器产生热 水的温度不足以驱动溴化锂吸收式制冷机 大大限制了溴化锂吸收式制冷机在家 用空调领域的应用 要想使溴化锂吸收式制冷技术得到大规模推广 就要对现有 的吸收式制冷机进行一些必要改进 实现溴化锂吸收式制冷机的小型化或风冷化 并降低成本 吸收器作为溴化锂吸收式制冷机组最重要的部件之一 其性能对机组性能影 响很大 而目前吸收方式均以降膜式吸收为主 溶液从管束项部喷淋 管内为冷 却水 管外为流动的溴化锂水溶液液膜 通过降膜达到吸收目的 其热负荷通过 冷却水排除 这种吸收过程既涉及溶液的降膜流动和冷却传热 又包括喷淋溶液 吸收冷剂蒸汽的传质过程 是一个传热传质互相耦合又互相制约的复杂问题 很 难做到传热传质同时强化 同时吸收器的换热面积占到整个机组换热面积的4 0 左 右 2 也很难实现整个制冷系统的小型化 因此后来有人提出用传热传质分离口1 的 吸收方法分别强化热 质两个过程 如采用预冷器来冷却溶液 使溶液吸收过程 的吸收热在预冷器中释放 在吸收器中只进行传质过程 从而实现热 质分离 如 图1 1 溴化锂溶液静电雾化强化吸收的基础研究 浴液裂 图1 1 预冷却绝热吸收过程 f 远1 1a d i a m e 咖柚c ea b r p t i o nw i 也s o l u t i s u l 伽l e r 1 2 热 质分离吸收研究现状 传热传质分离吸收方式的研究起始于2 0 世纪末 1 9 9 6 年 德国慕尼黑技术大 学s u m m e r e r 等人口1 以氢氧化物一水作为吸收工质对 在吸收式制冷机中应用喷雾 吸收器 通过传热传质分离技术对传热和传质过程分别进行强化 在1 5 l w 制冷量 的单效吸收式机组实验基础上 得到了等同于降膜式的吸收效果 且指出在小于 1 5 k w 制冷量的小型机组上应用效果会更加明显 简化了吸收器设备 降低了成本 1 9 9 8 年 n 锄e i 曲e c k 等h 1 设计了以氢氧化物和水为工质对的双效吸收式热泵 采 用板式换热器和喷雾吸收装置组成了一个传热传质分离的吸收器 数值模拟结果 显示 在达到同样制冷效果的情况下 采用该技术的吸收器 换热面积只有传统 机组的一半 1 9 9 9 年美国伊利诺斯大学的w m a l u l a s u r i y a 采用几种新的吸收工质对 传热传质分离的喷雾吸收进行了理论和实验研究陆3 结果表明 吸收效果比同等条 件下的降膜式吸收有明显改善 2 0 0 0 年 浙江大学的陈光明 章文斌等 1 在国内首 次提出溴化锂溶液传热传质分离的吸收方式 用传统的降膜式吸收器实现了制冷 系统的风冷化 2 0 0 3 年 吴双和申江等人口3 进行了传热传质分离喷雾吸收器的数值 模拟研究 计算结果表明 预冷器所需要的传热面积仅为传统降膜吸收器传热面 积的2 2 7 大大减小了传热面积 2 0 0 8 年 南航的阮建平口1 利用太阳能作为热源 进行了5 k w 小型溴化锂吸收式制冷机的设计 在设计中 吸收器 蒸发器 发生 器均采用传热传质分离的方法 实现了制冷机组的小型化 上述研究表明 传热传质分离的吸收方式不仅能同时提高热 质效率 而且 减少换热面积和机组体积 有利于实现制冷系统的风冷化和小型化 2 江苏大学硕士学位论文 1 3 雾化流场对吸收的影响 在传热传质分离吸收器中 传热过程是发生在液一液之间 可以使用高效换热 管来强化换热效果 因此 传质过程的强化成为这种吸收器的研究重点 单位体 积内的溶液表面积直接决定了传质系数 而雾化可以使溶液变成很小的液滴 理 论上分散喷雾可以实现1 0 倍于降膜式的溶液表面积睛3 因此喷雾吸收器引起了国内 外很多学者的兴趣 1 9 9 4 年 r v a n 阳3 首先对以溴化锂和水为工质的喷雾吸收器的吸收特性进行了研 究 提出了喷雾吸收的n 明 i n a i l 模型和k r o i l i g b r i i 止模型 研究了不同形式的喷嘴 对吸收效果的影响 并进行了实验验证 设计了具有更高效率和更紧凑的吸收器 结构 2 0 0 3 年 v e n e g 弱n 通过数值计算研究了锂硝酸氨溶液单液滴吸收氨气的 过程 研究表明吸收过程非常短暂 只占到了雾滴达到平衡所需时间 0 5 2 s 的 1 3 4 并指出 在达到同等吸收效率的前提下 喷雾吸收器的尺寸仅为传统降膜 式吸收器的一半 2 0 0 4 年 a 眩o z n 幻建立了一套实验装置 研究了溴化锂溶液在小 液滴自由落体 喷雾吸收和多孔填料降膜吸收三种状况下绝热吸收水蒸气的性能 结果显示 喷雾吸收具有明显的优势 2 0 0 5 年 w a m a l l l l 嬲u r i y a n 3 1 通过实验和数值 计算的方法研究了喷雾吸收器中溶液预冷量 喷淋量 雾化特征等因素对吸收过 程的影响 结果表明 雾滴大小是影响吸收效果的重要参数 射流速度决定了液 滴在吸收器内的滞留时间 速度越快 滞留时间短 吸收效果越差 需要设计的 吸收腔长度越长 同年 o r i a i l 等n 们为提高吸收腔内溶液的雾化质量 在三效吸收 一喷射制冷系统中 作者具体研究了压力旋转喷嘴的旋转俯仰角对雾化特性 包括 雾滴粒径 雾滴尺寸分布 雾滴速度 雾化角 射流长度 的影响 结果表明旋 流片角度直接影响溶液的雾化特性 同等压力下 角度越大 雾化粒径越小 射 流长度越短 2 0 0 7 年 w a m a l u l a s u r i v a n 5 1 用压力旋流雾化喷嘴实验研究溴化锂溶 液喷雾吸收水蒸气的效果 指出 雾滴速度是影响吸收效率的重要因素之一 压 力旋流雾化喷嘴比实心圆锥喷嘴的吸收效果要好 2 0 0 8 年 p a l a d o s n 刚等用空心圆 锥雾化喷嘴对溴化锂溶液所形成的锥形液膜的吸收特性进行了实验研究 结果表 明 溶液喷射后形成的锥形液膜及液膜破碎后形成的液滴对吸收效果产生明显作 用 提升压力可以增加流量 加大液膜变形率和改善雾化 从而提高传质效率 但同时溶液由喷嘴喷出到液膜破碎前产生的能量损失也很大 实验数据显示 当 溶液流量从3 0 k 蚰变化到4 7 k g l l 时 压力损失由9 0 l p a 增到2 5 0 l p a 此外 溶液的 3 溴化锂溶液静电雾化强化吸收的基础研究 流量增加了5 7 而传质效率却仅增加了1 0 因此靠提升压力 增加流量的方法 来提高传质效率并不可取 同年 作者n 刀又针对转杯雾化喷嘴实验研究了扇形液 膜的吸收特点 结果发现 溶液经过喷嘴喷到吸收腔内形成的液膜及液膜破碎后 形成的雾滴在吸收内的滞留时间是制约传质系数的关键因素 喷嘴压力决定了这 一时间的长短 压力过大 能耗就大 吸收也不充分 国内在这方面的研究很少 目前天津商学院的申江等人口 1 8 1 曾研究过喷雾吸收器对整机制冷量的影响 但没有 涉及雾化特性对吸收效率的具体影响 大连海事大学的马洪斌n 町在n e w m a i l 模型的 基础上 考虑了液滴吸收过程中伴随的热效应 模拟结果显示 吸收热对吸收过 程有重要影响 粒径越小 吸收率越高 并且吸收时间缩短 数据显示 0 0 0 7 s 时 1 0 0 i m 的液滴传质效率是5 0 0 m 液滴的6 倍 从上述国外研究状况可以看出 喷雾吸收器内 吸收过程非常短暂 溶液的 雾化特征及流场特性对吸收效率有着重要影响 为此 人们通过不同方法 如 改变旋流片角度和喷嘴形式等 改善雾化质量 延长吸收时间已达到增强吸收的 目的 国内在这方面还处于空白 但目前在喷雾吸收器中对于压力驱动的雾化 方式来说 雾滴粒径 雾滴速度 溶液流量 雾化角 射流长度等这些制约吸收 效果和吸收腔高度的重要因素并不是独立存在的 压力越大 雾化效果越好 流 量越大 但同时也带来了雾滴速度大 能耗大的问题 我们很难获得大流量 小 粒径及射流速度小的雾化工况 并且在吸收过程中 传质机理没有改变 因此探 索和实践其他雾化方法 改变传质机理 尤其是降低传质过程中的阻力 对于提 高喷雾吸收器的吸收性能和优化设计吸收器具有重要意义 1 4 静电雾化改善溴化锂溶液雾化与吸收 从前文分析来看 溴化锂溶液的雾化质量和射流速度是影响吸收效率和吸收 器设计尺寸的重要因素 在实际热 质分离的喷雾吸收器中所需喷淋溶液流量非 常大 泵功率大 耗电高 经初步计算 每吸收1 k g 的水蒸气放出的热量需要将 1 5 0 k g 左右的溴化锂溶液预冷1 0 才能排除 根据一些学者的研究f 1 3 1 5 1 从理论 上讲吸收器所要求的雾滴粒径最大不要超过1 5 0 岬 实际上在满足溶液循环量的 情况下 雾化粒径比这要大的多 而作为电流体动力学的一个重要分支 静电喷 雾技术是提高射流雾化特性 改善喷雾流场 强化传热传质 实现高效喷雾的一 种有效途径 在农业 化工行业以及新能源领域具有广泛的应用前景 并引起了 4 江苏大学硕士学位论文 国内外学者越来越多的研究兴趣 本文提出用静电雾化改善溴化锂溶液雾化质量 提高吸收器吸收效率是喷雾吸收领域的新思路 但是 迄今为止国内外关于溴化 锂溶液的静电雾化研究还未见报道 1 4 1静电喷雾技术研究及其应用 当液滴表面带静电荷后 由于同种电荷间的相互斥力降低了表面张力 当荷 电量达到一定极限时 液滴将破裂形成更加细小的液滴 这种物理现象被人们称 为静电雾化现象 利用静电雾化的基本物理现象发展起来的静电喷雾技术近几十 年来引起了国内外学者的极大兴趣 研究表明 静电场对雾化有显著影响 静电 力作用于射流的核心区 使核心区表面产生表面波 引起射流较早破碎 即射流 长度明显缩短 静电喷雾不仅在均匀和细化雾滴方面有显著效果 而且静电雾化 另一大优点是所需要的外加电能很小 美国n a s a 通过静电雾化获得直径5 0 微米燃 料自分散微液滴 消耗电能仅为1 2 m w 结合静电喷雾的优点 射流长度短 低压 下改善雾化 强化雾滴与周围介质的卷吸作用和增加沉积量等 已被广泛的应用 于喷涂 除尘 改善燃料雾化以及农药喷洒等领域 图1 2 静电雾化与传统雾化的对比图 f j g1 2p i c n j 肥0 fd e c t r c 眺纳 1 i 2 碰蛐锄dn 删拍叩1 i z a l i 0 虹 例如 s 埘 嗌p t i 嘶汹1 对直喷点燃式汽油机脉冲喷雾过程中微液滴带静电的作用 进行了分析和模拟预报 并研究了液滴带电后汽油机喷雾场的瞬态演化 指出荷 电对改善雾化质量 促进燃气混合 提高发动机性能非常有效 陈汇龙等瞳l 捌通过 对电子束法 脉冲电晕等离子体烟气脱硫技术 荷电干式吸收剂喷射烟气脱硫技 术的分析比较 指出将高压静电效应引入湿法烟气脱硫中 将有望提高脱硫率 并通过对石灰浆液荷电雾化脱硫的试验研究 探索了不同荷电电压 荷质比与脱 硫率的关系 提出石灰浆液荷电后对二氧化硫吸收有明显的增强 传统的农药喷 施方式造成大量的非靶标沉积 只有2 0 药液沉积到靶标上 严重污染环境 1 为 了寻求靶标沉积率高 漂移量小的施药方式 k l w 汹汹3 等人在气力辅助喷雾系统中 5 溴化锂溶液静电雾化强化吸收的基础研究 引入高压静电场来改善雾化 提高农药沉积率 研究结果表明 用静电雾化的方 法 在最优荷质比的情况下 农药用量减少5 0 在喷雾除尘方面 g a 哪t 等人啪1 对采用荷电细水雾对室内颗粒污染物和过敏原的清除效果进行了实验研究 结果 表明荷电细水雾可以明显提高颗粒浓度衰竭程度 可以有效改善室内空气质量 在喷涂方面 液滴雾化效果的好坏直接影响到静电涂油的喷涂质量啦钉 研究表明 带电液滴在高压静电场的作用下能减少雾化阻力和分子表面张力 增强静电涂油 的雾化和沉积效果 节约喷涂成本啪1 在喷雾染整领域 吴春笃等人嘲3 对双流体 静电感应喷头在不同充电电压和气体压力条件下的喷雾流场进行了测试 并分析 了粒径大小 速度分布情况 结果表明 提高充电电压可以明显改善喷雾流场 提高雾滴粒径与速度分布的均匀性 从上文可以看出 用电场来改善雾化已涉及到工业 农业等方方面面 并取 得了显著的效果 本文提出用荷电的方法来提高喷雾吸收器中溴化锂溶液的雾化 特性是课题组正在进行的一种新尝试 对溴冷机组在节能减排 实现小型化方面 具有重要意义 1 4 2 电场强化传质研究 在气一液 液一液体系中 利用电场改善物质间的传质 传热效果一直是制冷 工程 石油 食品 生物化学与制药等化工行业研究的热点 很多研究附蚓表明与 机械方法相比 利用电场强化物质间的传热 传质效果不仅产生更细小的液滴或 气泡 而且能耗很低 在实验中 学者们在不同场合针对不同形式的电场对质量 传递的强化展开了研究 2 0 0 4 年 p e t e r a 泓1 用电场细化雾滴 强化水滴向植物油渗 透的传质过程 实验结果显示 电场明显加强离散相与连续相的混合 传质效率 大大提高 2 0 0 8 年 p e t c r a 啪1 又建立了液一液体系中电场增强传质的模型 并用有 限元法进行耦合计算 模拟结果与实验结果相吻合 张东翔等啪1 研究了静电场对 液一液体系相间传质动力学特性的影响 结果显示正向静电场增幅达到1 1 4 刘 钟阳口刀在国内首次提出用电场强化臭氧向水中的传质过程 结果表明电压越高 传质的加强效果越明显 m 强i i n u k 在文献 1 中指出在真空状态停滞液滴的蒸发过 程中 电场对液滴的蒸发效率有明显作用 蒸发效率最高可提高1 0 0 倍 最低提 高4 0 倍 以色列的e l p e 血等啪1 研究了在交变电场下 可溶电解质气体解吸附到 停滞气泡的传热传质过程 数据计算表明在交变电场作用下 二氧化硫水溶液中 停滞气泡的传质速率提高了1 5 倍 他们也研究了在交变电场影响下 由溶质 6 江苏大学硕士学位论文 液体电解质连续相和平稳流电解质球组成的三重系统中的传质过程 数值计算表 明 在电场强度大小为e 2 1 0 4 y 槐的影响下 系统的传质速度明显得到提高 油1 中南大学的左恒等 1 首次提出了利用电场强化氧气向溶浸液中传质过程的方 法 结果表明 电场可以强化氧气向溶浸液中的传质过程 并且强化效果和电场 的强弱以及浸矿溶浸液的性质有关 与未加电场的情况相比 在强度为8 0 v m m 的电场作用下 总传质系数提高2 8 2 气一液 液一液体系之间的传质涉及到制冷工程 材料加工 食品 化学工程 等多个领域 研究电场对传质过程的影响具有很大的发展潜力 上述研究表明 不论是在气液吸收还是在液液萃取等方面 电场都能使体系的传质过程得到强化 不同电场的作用可能会在传质效率 能耗等方面产生差异 但本质上都是通过电 场与带电物质的相互作用产生的力来实现强化传质的 在本课题中 对于溴化锂液滴的吸收过程 是传热传质同时存在的复杂过程 迄今为止还没有一种理论能够清晰阐明吸收过程的机理 而且对于吸收器内溴化 锂溶液的雾化特征 雾化流场及气液相接触状态方面的研究明显不足 雾化流场 尤其是速度场 涡量场 雾滴粒径等因素是影响吸收效率的关键问题之一 开 展电场作用下 溴化锂溶液静电雾化特征 射流特性及静电场强化传质等方面的 研究为以后将静电雾化技术在热 质分离的溴冷机以及更多领域的应用打下重要 基础 也为用高压电场强化溴化锂溶液绝热吸收过程提供理论根据 1 5 本课题的主要研究内容 静电雾化吸收涉及的研究内容很广泛 包括荷电及雾化机理 充电装置与充 电方法 荷电两相流以及吸收状态下的雾化流场分布情况等等 目前国内外关于 液体带电雾化方面的研究主要集中在两个方面 一是基于介质雾化机理的基础理 论研究 即静电雾化的研究 e l e c 仃o s t a t i ca t o m 娩a t i o n 是以带电液体经过毛细管 形成荷电雾滴或液体经过毛细管后在电场的作用下极化形成带电雾滴群 研究内 容以雾化机理 雾化模式以及雾滴尺寸的分布为主 其目的是在实验室环境下探 讨库仑力在液滴破裂过程中的作用 另一方面是面向实际应用的基础理论研究和 应用研究 主要是以液体经过不同的静电雾化喷头形成的较大尺寸的荷电两相流 场为研究对象即荷电喷雾 e l e c t r o s t a t i cs p r a y i n g 其中机械力和库仑力都是雾化 的主要因素 研究内容涉及雾化喷头的研制 雾化机理和喷雾特性的研究 充电 7 溴化锂溶液静电雾化强化吸收的基础研究 方式和充电效果及雾化流场等方面 1 本课题对高电导率介质5 0 溴化锂溶液的静电喷雾及其应用进行了开创性的 系统研究 静电喷雾吸收方式是在传热 传质分离吸收式制冷领域提出的新方法 其基础内容涉及高压静电雾化理论 荷电多相流场 高压静电场作用下的传质理 论等多方面内容 本文就溴化锂溶液的静电雾化机理 静电喷雾流场特性 荷电 液滴受力情况及电场作用下单液滴的非等温吸收理论 液滴表面环流速度等问题 进行探讨和分析 全文共分五章 第一章绪论 通过阅读大量中外文文献 阐述了溴冷机组发展方向 传热传 质分离的吸收方式以及热 质分离喷雾吸收器的研究现状 分析影响喷雾吸收器 设计尺寸及吸收效率的关键因素 提出用静电喷雾改善雾化 提高传质效率的新 思路 并给予充分依据 明确了该课题的研究方向和途径 第二章溴化锂溶液静电雾化特性的基础研究 分析液滴荷电机理及其荷电方 式 在毛细管一环状感应电极配置下对不同介质荷质比进行了测量 分析了介质物 性 荷电电压对静电雾化特性的影响规律 对溴化锂溶液液滴的雾化模式 粒径 分布以及电场作用下液滴的变形特征进行了实验研究 第三章溴化锂溶液静电喷雾特性的实验研究 建立溴化锂溶液荷电喷雾试验 台 测量了荷电喷雾的粒径 采用p 测试系统对溴化锂溶液静电喷雾流场特征 进行测量 分析荷电对雾滴粒径及流场产生的影响 第四章对静电喷雾雾滴荷质比进行测量 通过n u e n t 中的u d f 计算功能 对 喷嘴及环状电极附近的静电场进行数值计算 在相关数据基础上 对液滴所受的 主要作用力进行计算并分析对运动特性产生的影响 第五章单液滴吸收传质机理和对流传质模型的分析及电场强化液滴传质理论 总结 根据电场作用下泰勒环流最大速度公式 对实验中不同粒径液滴环流速度 进行计算 分析高压静电场带来的热 质强化效应 第六章全文总结及进一步工作展望 对论文研究工作中的一些初步结论进行 概括总结 指出下一步需要深入开展的工作 8 江苏大学硕士学位论文 第二章溴化锂溶液静电雾化特征的实验研究 溴化锂溶液属于导电性比较强的介质 电导率高 选择合适的荷电方式 验 证其荷电能力是对其进行静电雾化研究的前提 而荷电液滴的变形 雾化模式以 及雾滴粒径的分布等问题是荷电喷雾研究的重要基础内容 本章将针对这些问题 展开实验和理论研究 2 1液滴的荷电方式及充电机理 静电雾化主要通过三种方式使雾滴带电 即电晕充电 感应充电和接触充电 其中感应充电是在金属喷嘴和电极间造成非均匀电场 具有一定导电性的液体在 压力作用下从喷嘴喷出并进入非均匀电场 其间液体离开喷嘴形成雾滴的过程就 是液体破碎过程 破碎部分 雾滴 会带上或正或负的电荷 取决于外加电压极 性 这种充电方式必须使液流与电极之间保持绝缘 为确保荷电效果 感应电 极要避免产生电晕 电极所需的外加电压不宜过高 电极结构也相对简单 绝缘 问题也较容易解决 而针对电极形式 江苏大学就坏状 针状 锥状三种电极在 相同充电条件下进行了研究比较峭j 认为荷质比随充电电压升高而增大 环状电 极充电效果最好 锥状电极 针状电极充电效果依次次之 充电效果不仅跟充电 电极形式有关 而且还跟液体 颗粒 的物理性质如电导率 表面张力等有关 甚至还跟流量大小有关 例如 对于电导率高的液体 环形电极能取得较好的充 电效果 对于电导率较差的液体 针状电极会取得更好的充电效果 因此 本文 根据液滴的充电机理及溴化锂溶液本身的物理特性选用环状感应充电方式 高压电源 图2 1 感应充电原理图 1 f i 目鹏2 1s c h 锄疵d i a g r 锄o fi i l d 砌i o nc h a l g 堍 9 溴化锂溶液静电雾化强化吸收的基础研究 r 1 图2 2 等效电路 f 咖r c2 2e q u i v a l e n tc i i l l i t 图2 1 为感应充电原理图 液流在压力作用下从喷嘴以速度v 沿轴向射出 射 流在喷嘴附近形成锥状水膜 与空气撞击破裂形成雾滴并在运动中进一步破裂变 细 环状电极的半径为r 且置于喷嘴前方l 处 锥状水雾该处的半径为r l 感应 充电时 高压电源一端接金属电极 另一端接地 金属电极与锥形水膜之间的气 体构成了二者之间的绝缘介质 可视为并联较大阻值的电阻r 的电容器c 金属电 极 喷头用平行板电极电位为u 圆锥雾喷头用环状电极 是电容器的高压极板 射流在接近喷口处形成的锥状水膜是电容器的接地极板 电源电势为e 电阻为r 1 等效电路图如图2 2 接通高压电源时 喷嘴与环状电极之间的电场使液体感应充 电 液膜破裂后 雾滴携带电荷 这种充电方式适用于导电液体 但液流与电极 之间必须绝缘 喷雾流场中空间电位是环状金属电极电位和雾滴所带电荷电位的 迭加结果 2 2 微流量下不同介质荷质比的测定和分析 静电雾化的雾化特性在很大程度上取决于液滴所带的荷电量 而表征液滴荷 电能力的参数是荷质比 即液滴荷电量与液滴质量的比值 荷质比是预测荷电液 滴运动行为最关键的参数 4 5 l 对于孤立液滴 由于带电量很小 现有的实验仪器 很难对其定量测量 荷电效果主要借助于理论分析 对于大流量荷电喷雾所形成 的群体荷电液滴 由于液滴数量太多 且相互之间会发生作用 实验测量的荷质 比也不能较好的反映液滴的荷电能力 针对这一情况 本文基于毛细管一环状电极 下液体的静电雾化研究 成功实现了微流量下对不同物性液滴荷质比的测量 分 析了不同荷电电压下介质的物性参数 粘度 表面张力 电导率 对荷质比的影 响 探讨了溴化锂溶液的荷电能力 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 2 1 电极模型的选择 荷质比是衡量液滴荷电性能的重要指标 也是影响液体雾化效果的重要因素 对于感应电极最重要的是要避免因电压过高 电晕放电产生定向移动的电子对电 流的影响 事实上 电晕放电是气体电离的程度非常有限 属于部分电离气体和 弱电离气体 也就是只有部分或少量的气体分子 或原子 电离成电子和离子 其它为中性分子 原子 李庆 蛔在用针 板电极研究雾化电晕放电时就发现电压 小于2 0 l 时 电晕放电很弱 电流中仅是由气体中存在的少量自由电子及雾化电 极喷射出的极少量带电液体形成的 针电极 t 瞄管 0 电子 正离子 中性分子 图2 3 针一环状负电极间隙中粒子分布情况示意图 i 沁2 3d i a g 咖a t i cd r a w i n go ft h ep a m d 髓d i s t r i b u t i s t 曲吣i nn e g a t i v en e e d l e r i n gg a p 为了排除空气中少量自由电子或避免高电压情况下电晕放电产生的电子对喷 射液滴荷电能力的影响 本文采用针 环状负高压电极 即环状电极在下并施加负 电势 金属毛细管在上并接地 电压过高时 放电场域粒子分布情况如图2 3 所示 空气放电产生后 电晕区积聚的粒子与电晕电极同极性 在强电场的作用下 电 子向上作定向移动 在运动过程中与外区的部分不带电的中性空气分子碰撞 一 方面自身的电荷发生转移 使中性分子带上负电荷 使得电晕区和外区的带电质 点均与电晕电极同极性 另一方面部分动能传递给中性分子 使其一起向上定向 移动 产生气流 即离子风或电晕风 而高压静电产生的正电荷以及少量由空气 电离产生的正离子便积聚在由金属毛细管和环状电极形成的场域内 通过电子转 移的方式移到雾化射流中 当带有正电的连续射流形成雾滴时 雾滴便带上与电 溴化锂溶液静电雾化强化吸收的基础研究 极极性相反的正电荷 4 7 嗍 本文采用的环状电极在下的针 环状负高压电极感应充 电方式 即使产生电晕放电 电子向上做定向运动 大大避免了带正电的雾滴与 电子中和的现象 保证了荷质比测量的正确性 此外在相同的电压条件下 负电 晕击穿场强比正电晕高 即在负高压电极下 需要更高的充电电压才会产生电晕 放电现象 因此在本文中采用负高压电极作为充电电极保证了实验在感应荷电方 式下进行 2 2 2 实验装置 实验装置如图2 4 所示 分为静电雾化系统和荷质比测量系统 静电雾化系统 由高压静电发生器 调节阀 环状电极 半径仁3 5 c m 微量注射泵 佃o r i o n m 3 6 1 电压表 q 3 v 型 金属毛细管 导线组成 微型注射泵精确控制溶液流 量 环状电极内嵌在绝缘外层的前端 金属毛细管管口下端距电极环为3 c m 高 压静电发生器通过导线与电极环相连接 毛细管接地 当液体流经毛细管时形成 液滴 当液滴经过由毛细管和环状电极组成的电场时 会发生变形和破碎 荷质比测量系统包括 册1 型直流微电流表 最小量程2 n a 秒表 集液 筒 水槽等 试验中利用微量注射泵控制每次试验溶液的流量 用高压发生器及 电压读数仪准确控制所加的荷电电压 采用目标网状法测量液滴的荷质比 法拉 第筒内布置3 层铜网 筒的上边沿距电极环1 2 c m 当荷电液滴与铜网接触后会与 大地形成回路 并产生微电流 用精密皮安表读出此电流 然后计算得到荷质比 1 2 广 b 刨 图2 4 荷质比测量装置图 f 蟾2 4 d i a 鲫0 f c h a 曙嘲 m a 蹈m d i o 1 微型注射泵 2 高压发生器 3 电压表4 皮安表5 毛细管 6 绝缘罩7 法拉第筒8 水槽9 电极环 江苏大学硕士学位论文 2 2 3 实验方法 1 验证荷电布置方式的正确性 在没有雾化射流的情况下 将法拉第筒分别放置于电极环之上8