电晕是一种常见的放电形式,人们对电晕放电的探索从对电晕起始电压、电流脉冲等宏观现象的研究深入到微观粒子输运、放电机理的研究。离子风是电晕放电伴生的一种现象,相对利用风扇产生风的方法,离子风具有低功耗、无需机械旋转部件、低噪声和离子丰富等特点,在推进、强化对流散热、空气除尘、干燥等领域受到了广泛的关注。
离子风干燥技术被认为是最适用热敏材料脱水的高效非热能技术,可以在食品、药品、生物制品干燥中具有广阔的应用前景。相对于热风干燥技术,离子风干燥的能耗更低,因为使用热风干燥时需要加热空气,加热后的空气会带走热量。干燥生物材料时,根据生物材料类型、初始最终含水量和操作条件,离子风干燥速率通常比自然蒸发快1.3~4.52倍,干燥时间可以缩短15%~40%。
研究也发现电极形式对干燥效果有很大的影响,Lai F. C. 等对单针电极、多针电极和线电极的增强干燥效果进行实验,发现在较低的外施电压下,使用线电极比针头电极的干燥效果更好,就单位质量干燥物质使用的能量而言,使用单个电极比多个电极干燥效率更高,并且采用正极性电压比负极性效率更高。与电极方向垂直的来流风速对干燥的效果也有很大影响,在较低风速下离子风干燥的效果更明显,高风速的来流会对离子风有抑制作用。
Dalvand M. J. 等发现,多针电极干燥时,电极电压越高,电场强度越强,干燥效果越好。Lai F. C.的研究结果表明,离子风对实际应用的干燥效果取决于许多因素,包括电极间距、电晕极性、材料特性等。
离子风干燥的主要原理是利用离子风增加被干燥物体上空气的对流,使水蒸发的速度变快。为了产生离子风,在设置电极时电极间距往往很近,电压也接近对应电极布置下的击穿电压。如果增加电极间距并适当降低电压,可以削弱离子风的强度,此时放电可能会产生抑制蒸发的效果。
利用在农田上方布置导线产生对地的电晕放电可以抑制土壤的蒸发。Arif-Uz-Zaman M. 等证明了电场可以富集水分子使空气湿度增加,这是基于水分子介电泳原理:水分子会趋于向电场强度增强的方向运动[27]。空间电荷激励的极不均匀电场也能吸引水分子,并形成荷电的微小液滴。Reznikov M.总结了荷电液滴半径与液滴带电量、外界蒸汽压之间的关系。
本文利用水体为接地电极,在水面上设置了网电极和线电极两种电极形式并施加高电压。利用网电极可以产生垂直于水面的强电场,利用线电极可以产生放电。本文研究两种电极配置对水面蒸发的影响,并尝试对产生的促进蒸发和抑制蒸发的现象给出理论解释。
图1 高湿度环境下蒸发实验装置示意图
本文通过理论实验和推导计算的方式,研究了均匀电场和极不均匀电场对蒸发的影响,得到的结论如下: