空气净化过程中的电晕放电与离子风

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1、空气净化过程中的电晕放电与离子风*亢燕铭 荣美丽 沈恒根 王明星 教授, 博士, 东华大学环境科学与工程学院, 上海 200051 硕士研究生, 东华大学环境科学与工程学院, 上海 200051 教授, 博士生导师, 院长, 东华大学环境科学与工程学院, 上海 200051 研究员, 博士生导师, 所长, 中国科学院大气物理研究所, 北京 100029*陕西省自然科学基金(项目编号 98D01) 和大气边界层物理与大气化学国家重点实验室开放基金资助项目关键词 离子风 电晕放电 电除尘 空气净化 二次流离子风( 或称电风) 是两个相邻高压电极间发生电晕放电时因离子高速运动而诱导的空气流动现象.

2、在过去的两个世纪中, 为了利用并探索离子风效应的影响, 人们已做了大量研究, 并且早已认识到它在静电空气净化过程中的重要作用.本文回顾和评述了离子风效应对空气净化设备效率影响的典型研究结果, 并对这一问题的后续研究提出了建议.一、引 言空气净化是大气污染控制和环境质量控制的一个重要手段. 在现有的空气净化设备中, 从电晕放电现象发展而来的电除尘器是一种除尘( 或净化) 效率高、 处理气体量大的粉尘( 或烟气) 净化设备, 其应用范围包括从处理工业过程中产生的高浓度粉尘污染问题, 到处理工业洁净室( 如电子车间和制药工厂) 或精密仪器生产车间的空调送风超高效净化问题等许多领域1, 2./ 离子风

3、0( ionic wind) 是电晕放电过程中特有的现象, 一般也称为/ 电晕风0( coronawind) , 是放电过程电子雪崩引起的高速离子射流流动3, 4, 这种离子射流对除尘通道中的含尘气流流动会产生强烈的扰动, 形成所谓的二次流动( secondary flow), 它将导致净化效率的恶化5- 7. 因此, 从 20 世纪 60 年代后期起, 许多研究者就一直对这一现象进行实验和理论研究, 希望了解离子风的产生机制, 并试图控制这一过程对超细粒子分离与捕集的影响. 本文将回顾这些研究的历史和主要结果, 并着重对离子风在空气净化研究中存在的问题加以分析和讨论.二、电晕、 离子风与烟雾

4、净化1672 年, 真空泵发明者 Guericke 利用一个自制的摩擦起电机研究有尖端的导体吸引带电体的现象时, 发现被摩擦的硫磺球能在黑暗中发光, 并可以听到嗡嗡的声音, 这是最早发现的有文字记载的电晕放电现象, 听到的实际上就是离子风的声音8. 1709 年, 英国人 Hauks -bee 发现, 把一根带电的圆管靠近脸部, 能感觉到微弱的吹风感, 现在一般认为他是最早直接观察到离子风的人9, 10. 此后两个世纪中, 包括 Faraday 和Maxwell 在内的许多学者都曾研究过这一现象. 但直到 1899 年, Chattock才第一个对离子风进行了分析, 他用最简单的平行板式电晕放

5、电装置, 得到了离子风压力和电流的简单关系,但对这一定量关系没有深入地加以讨论. 随后, 以放电现象近代开拓者 Loeb 为代表的学者才开始从严格的理论研究着手探索产生离子风的内在机制3.在研究离子风的过程中, 人们无意间发现电晕放电能除去空气中的粉尘或其他物质3, 11. 1824 年, Hohlfeld在利用线- 板式放电装置模拟雷电时发现, 把放电装置 放入充满烟气的瓶中, 随着火花放电的发生, 烟气消失了, 表明放电能净化烟气. 1850 年, Guitard 在线- 管式装置上重复了Hohlfeld 的实验,香烟烟雾得到了清除, 但这一次却是电晕放电的作用. 不幸的是, 电晕放电可能

6、产生的对烟气的净化作用在当时没有被认识到, 而 Faraday和 Maxwell 等人对离子风机理的研究与实用的电晕现象也始终没有发生联系8, 9.大约在 Guitard 实验完成 30 年后, Lodge 提出用静电效应处理污染空气的方法, 比如用静电作用除去室内或隧道中的烟气, 以改善卫生和大气条件9, 11. 并认为,#125#自 然 杂 志 24卷 3 期专题综述雾、 传染病等都和空气中悬浮的固体颗粒有密切关系.但他做的大量实验最终都没有成功. 他认为原因是当时产生高电压的设备技术不够先进, 绝缘问题不好解决.Lodge的结果被 Walker 用在他自己的一个炼铅炉上做了工业性应用,

7、可惜的是铅烟的绝缘性( 即所谓比电阻) 太高, 且铅烟粒子极细, 而当时的高压设备性能也很差, 所以Walker 的应用也失败了. 直到电除尘技术的先驱 Cot -trell 从 1904 年前后开始的一系列应用性工作取得成功后, 现代电除尘技术才算走上正轨1, 11.三、离子风对电除尘过程的影响1. 基于实验的离子风研究1954 年,Loeb 把 Chattock 的压力 -电流公式应用到其他的电晕放电模型中, 三年后, Harney 还首次观察了气流速度对电晕放电参数的影响. 实验结果表明, 气体以离子风速度运动时, 放电参数基本不受气流运动的影响, 但在介电液体中, 流体运动速度对放电过

8、程的影响不同于气体介质的情形9.1961 年, Robinson 在 Chattock 和 Loeb 的基础上从实验和理论两方面研究了离子风在空气中的运动特性. 他用压力梯度来表征气流在电场中的运动速度, 此速度包含了离子风速度的影响12. Robinson 的近似解指出, 气体运动速度与外加电压和电晕电流的平方根的乘积成正比; 气体密度不大时, 放电极附近的电流体动能转换效率与气体密度的平方根成正比, 而与电压无关; 主流速度是离子风速度的增函数. Robinson 的理论虽然是在特定的边界条件下得出的, 但他第一次将气流流动与离子风的作用耦合了起来.Ramadan 和美籍华人学者苏绍礼(

9、Soo S L) 最先对线 - 板式电除尘器内离子风与主流耦合流动- 即电流体场( electrohydrodynamic field) 做了研究13. 他们用数值计算求解了考虑电场力作用的二维层流 Navier- Stokes 方程. 为简化求解, 沿用了 Cooperman 方法14, 即将空间电荷分布视为常数来估计电体积力的大小. 结果表明, 离子风二次流是从电晕极上发出的狭窄高速射流, 没有主流流动时, 将直接指向收尘极, 其速度峰值是主流的数倍.Yabe15等人随后对电流体场作数值计算时, 仍沿用了二维模型, 但采用了涡量- 流函数法, 并假定通道中产生回流流动的原因是库仑力作用.

10、结果指出, 沿平行于电晕线两侧的方向上, 存在两个旋转方向相反的涡;涡量产生于电晕线附近, 并在收尘极板附近沿表面逐渐耗散.这是分析电除尘器内有实际意义的离子风特性的最早文献, 但还没有与气流、 颗粒动力学特性联系起来.Yamamoto 和 Velkolff 研究了离子风与主流流场的叠加作用16.其理论模型仍以涡量- 流函数法为基础, 但控制方程中考虑了电场与气流场的耦合作用, 采用纹影照相的方法( schlieren method) 对计算结果做了解释. 结果发现, 在通常电晕电流密度下, 离子风效应将在除尘器进口速度低于 1. 2 m/ s 时出现, 而直到主流平均速度低于 0. 2 m/

11、 s 时才可以明显观察到成对的旋转结构. 随着电流的增加, 旋转流区域逐渐减少; 当雷诺数超过 1 200时, 涡流将完全消失, 他们认为二次流是由惯性力和电场力共同引起的. Yamamoto 和 Sparks 还对光圆线在负电晕条件下产生的刷状放电( tuft corona) 导致的电流体场做了讨论17. 其结果实际上还证实了 Yabe 等人的观点,即库仑场是产生二次流的驱动力, 而刷状电晕也会产生平行于电晕线的翻转的涡环.Leonard 等 18分析了由离子风引起的湍流强度的变化, 结果为: 正电晕放电和负电晕放电的湍流强度都是增加的. 对于正电晕放电, 湍流由一对不稳定的反向旋转的涡引起

12、, 涡流产生于放电针的端部, 并逐渐进入主流区.对于负电晕放电, 在整个除尘区, 不稳定的刷状放电都引起湍流.当气流速度为 0.9 m/s 时, 正电晕和负电晕放电都产生相当强的湍流.Davidson 和 Shaughnessy 利用涡运动理论研究了离子风二次流特性19, 发现二次流和湍流来源于电流强度的转换部分, 当雷诺数小于 4 310 时, 二次流和湍流对颗粒的输运作用较大. 此外, 负电晕放电可由沿放电极分布的湍流强度和局部放电参数来表征, 随着电晕电流的逐渐增加, 放电点数量也增多; 当芒刺的间隔达到3 cm 时,放电点数量达到最大值. 在这种情况下, 放电极之间出现环流运动, 此后

13、, 任何附加电场都能引起放电极和板电极间更加有序的二次流. 但对于正电晕放电, 这种情况不会出现20.2. 理论与数值模拟研究Stock 和 Crowe21采用求解二维回流流动的方法直接讨论了考虑离子风时管式电除尘器中的电流体场对颗粒物的输运作用. 其结论是: 只有在线- 板式这种结构中, 存在几何结构不对称性时, 离子风对含尘气流的 影响才会出现. 换言之, 由于流动通道具有自然的轴对称性,所以管式电除尘器中离子风似乎对颗粒捕集不产生影响. 这一结论随后被Flippen 证实22. 他测定了不同几何结构下涡量方程中的电场涡量项( 即电流密度的旋#126#Ziran Zazhi Vol. 24

14、 No. 3专题综述度 J). 证明当电晕线的设置具有几何对称性且能形成均匀的电晕辉光区时, 电场涡量项并不存在. 据此, 他认为电场涡量项是导致二次流的惟一原因.Berstein 和 Crowe23将封闭形式的K - E双方程模型用于动量时均方程上求解了电除尘器内的湍流流动. 求解时假定湍流是由于主流的速度梯度引起的, 忽略了可能由电气参数的脉动所引起的产生或耗散项. 他们分析 了由极板上的角筋( 凸棱) 和气流障板对气流和电场的影响, 但忽略了空间电荷对电场的畸变. 结果指出: 离子风和气流障板下游的分离流动都会形成背向电晕极的回流. 在高入口风速( 1. 7 m/s) 、 高电场强度(

15、平均场强为8 kV/ cm) 时也会产生离子风回流结构.Kallio 和 Stock4沿用了 K - E模型来处理电除尘器内的紊流流动,但对电场的求解采用了有限元和有限差分结合的方法,以减小数值误差. 在耦合方程的求解中,又采用了非均匀网格以保证电晕线附近的求解结果更为可靠. 结果为: 离子风二次流与主流叠加导致的不均匀各向异性的高度湍流在较低的电场风速下便会发生.流动显示结果证明, 入口风速大于 0. 7 m/ s 时主、 次流相干效应就出现了. 并且判明, 低于这个值时, 二次流的强度与电晕电流密度成比例, 即低流速下高强度湍流弥散和大尺度的掺混效应主要受控于放电条件; 高于此值时, 主流

16、本身的湍强很高, 离子风对主流产生的扰动效应是无法辨别的.Larsen 和 Sorensen24第一次通过实验和理论方法讨论了离子风对除尘效率的影响. 他们考虑了离子风二次流产生的涡环的作用, 遗憾的是他们并没有观察到涡环的旋转方式. 但实验和理论结果都表明: 由负电晕放电引起的二次流或附加湍流, 肯定会降低收尘效率. 但对正电晕放电, 则不会出现这种情况.由于上述研究得到的结果总存在不一致, Shaugh -nessy 和 Solomon10重新研究了针对平板电极的电气特性, 以考察离子风的电学特征. 实验结果指出: 电晕放电引起的电流体动力学问题与放电间隙、 电Reynolds 数、 电- 流体耦合常数及电流强度有关. 这说明放电过程的流动耦合效应与电极结构、 流动参数和放电参数均有关.但Shaughnessy 与他的学生 Davidson 等至今没有成功地找到离子风影响气固两相流分离的可靠理论解. 足立宜良等7, 25利用上述某些方法对实际中