高频脉冲电场中液滴的运动与变形【推荐论文】 .doc
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1、精品论文高频脉冲电场中液滴的运动与变形罗小明,闫海鹏,何利民,梁风龙,杨东海(中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,青岛,266580)5摘要:本文通过对油中水滴在高频脉冲电场中的运动及变形特性的实验研究,揭示了单脉冲 电场中水滴的变形特性,分析了脉冲电场频率及电场强度对液滴运动特性的影响规律。经研究发现,小直径液滴(d100m)在高频脉冲电场中未发生变形,即在高频脉冲电场中可认 为小直径液滴近似为刚性球体。通过对电场强度及电场频率对液滴运动参数的影响发现,脉10冲电场对液滴的运动有显著影响,这表现在:液滴的运动速度随着频率的增加和场强的增大 而增大,且液滴的位移及瞬时速度的变化随频率的升高
2、而加快。关键词:油水分离;电场;高频脉冲;液滴运动中图分类号:T624.115Kinematic characteristics of the water droplets in oil under high-frequency impulse electric fieldLUO Xiaoming, YAN Haipeng, HE Limin, LIANG Fenglong, YANG Donghai(College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao266
3、580)20Abstract: In petroleum industry, high electric fields are used in the separation of water drops from oil phase.In this paper based on theoretical research, the kinematic and deformation characteristics of water droplets in oil under high-frequency impulse electric field have been experimentall
4、y investigated. The experiment system combines the high-speed viedo device with the microscope. The research concerns the influences of frequency and field strength on the droplets under the25applied high-frequency pulsed electric fields. Besides the frequency and field strength of the pulsed electr
5、ic fields, this paper also discusses how the types of electric field affect the motion and diformation of droplets. Experiment results illustrate the deformation characteristics of water droplets in single impulse electric field. The influences of impulse frequency and field strength on the kinemati
6、c characteristics of water droplets is analyzed. Results also indicate that the droplets30(diameter100m) cannot deform in the high-frequency impulse electric field and thus the droplets can be regarded as rigid spheres in these electric fields. However, the kenetics of droplets has been obviously in
7、fluenced in the impulse electric field. Droplet velocity increases with increasing impulse frequency and electric field intensity. The variation speed of displacement and instantaneous velocity rises with increase of impulse frequency.35Key words: oil-water separation; electric field;high-frequency
8、impulse; kinetics of droplets0引言通常对油包水乳状液进行破乳的方法有化学破乳、酸碱值调节法、过滤法、热处理法、薄膜分离法及静电破乳法1。从能量利用效率的角度来看,电场处理无疑是上述方法中最优40的2。置于电场中的带电水滴将向同自身所带电荷电性相反的电极运动,即:带正电荷的水 滴向负极运动,而带负电荷的水滴向正极运动,这种现象称为电泳3。对于液滴电泳现象的 研究一般限于直流电场。M. Hase4等曾经观察研究了直流电场中微米级液滴在电极之间有 规律地往返运动现象,并结合 Ca 数、Re 数以及 Ce 数等无量钢参数对液滴的运动特点进行 了定量的理论分析,但其局限在于
9、仅仅对直流电场液滴运动特性进行研究。同样,Eow5利基金项目:高等学校博士点基金资助 20090133120006作者简介:罗小明(1980-),男,副教授,主要研究方向:多相流动与多相分离. E-mail: - 8 -45用直流电场实验研究了液滴在直流电极板间运动。除电泳外,介电泳(DEP)是电场中液滴运动的另一种重要形式。介电泳是指由非均匀电场极化作用引起的液滴运动行为6,7,8。此外, 在高压直流或交流电场中,由于液滴在电场中受电场的极化和静电感应,因而在水滴两端出 现不同极性的电荷,形成电偶极子。电偶极子在电场作用下使水滴产生拉长变形及振动3。脉冲电场最初是由Bailes和Larkai
10、 9提出并应用的。高频脉冲电破乳具有能耗小、效率50高的显著优势10。目前对高频脉冲电场中液滴的运动及变形研究较少。本文采用信号发生器 及高压功率放大器等设备对高频脉冲电场下液滴的变形及运动进行了研究,并对实验现象进 行了分析。1实验系统本实验所采用的实验系统的流程图如图 1(a)所示。高压电源的高压输出端及接地端55与实验样槽的两个铜片电极相连,从而获得实验所需的高压脉冲电场。波形信号由信号发生 器提供。高速摄像与实验样槽的竖直截面垂直摆放,并由冷光灯做为拍摄的光源。高速摄像 机与高性能计算机相连,对拍摄的照片进行存取。此外,将功率放大器与示波器相连,可对高压功率放大器的输出信号进行监测和数
11、据存取。实验系统的实物图如图 1(b)所示。高压电源 数据采集 系统光源高速摄 像系统微观样槽60(a) 微观实验流程示意图(b)实验装置实物图图 1 静电聚结微观实验装置图Figure 1 Apparatuses in electrostatic coalescence experiment65由于极板包覆有绝缘层,因而总电压应等于乳状液两端电压与绝缘层上的电压之和。令 乳状液间两端场强为E,绝缘层间场强为Es,两极板间总电压为U(有效值),极板间自由 电荷密度为,乳状液相对介电常数为r , 绝缘层相对介电常数为s,已知绝缘层厚度为ds,=极板间距为D,结合高斯定理,于是有:70则电场强度为
12、:U (D - 2d s)e s + 2d s e r se s e r(1)E = se re sU=(D - 2d s )e s + 2d s e r=D + 2dUr ees s- 1(2)2实验介质及方法实验用油包水型乳状液中的水滴以白油和蒸馏水在一定条件下经剪切乳化而获得。在实 验条件(25)下连续相粘度为 950 mPas,油水界面张力值为 39.84mN/m,连续相的电导75率和相对介电常数分别为 0.01pS/m 和 2.22。实验过程中通过信号发生器及高压功率放大器对微观实验样槽施加不同频率不同场强 的单脉冲电场(如图 2),并采用示波器对波形图像进行数据采集。实验中,分散相
13、液滴粒 径控制在 100m 以下,由微量移液器注入实验样槽内,并保证视场内只有实验液滴,而无 其他液滴的影响。由于电场频率较高,为拍到一个周期内液滴的变化情况,并考虑实验设备80的能力,高速摄像曝光时间设定为 1/5000s。(1)400kv/m 300Hz(2)600kv/m 300Hz(3)800kv/m 3000Hz图 2 不同单脉冲电场Figure 2 Three different single impulse electric field853结果及讨论3.1单脉冲电场中液滴的变形特性1.101.051.00W/H0.950.900.851000HzD36 m2000HzD36 m
14、3000HzD51 m0 2 4 6 810时间/ms0.0750.0700.0650.0600.0550.0500.0450.040e0.0350.0300.0250.0200.0150.0100.0050.000-0.0051000HzD36 m2000HzD36 m3000HzD51 m0 2 4 6 8 10时间/ms(1)单脉冲 E=400kV/m1.081.061.041.021.00W/H0.980.960.940.920.900.880.86300HzD64 m500HzD87 m1000HzD66 m2000HzD39 m3000HzD46 m0 2 4 6 810时间/ms
15、0.080.070.060.050.04e0.030.020.010.00-0.01300HzD64 m500HzD87 m1000HzD66 m2000HzD39 m3000HzD46 m0 2 4 6 810时间/ms90(2)单脉冲 E=600kV/m1.141.121.101.081.061.04300HzD64 m500HzD30 m1000HzD56 m2000HzD32 m3000HzD56 m0.050.040.03300HzD64 m500HzD30 m1000HzD56 m2000HzD32 m3000HzD56 mW/H1.021.00e0.020.980.960.010
16、.940.920.000.900 2 4 6 810时间/ms(3)单脉冲 E=800kV/m0 2 4 6 810时间/ms图 3 单脉冲电场中液滴的变形特性Figure 3 Deformation characteristics of droplets in single impulse electric field95上图中左侧各图表示在同一场强下不同频率条件下,液滴变形过程中的的宽高比(W/H) 随时间的变化;而右侧为离心率 e 与时间的关系。其中,离心率的计算式为:W - He =W + H(3)100105由于液滴粒径变形过程中会出现 WH 的情况,为保证离心率始终为正值,分子采用
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