- 頭條均勻電場和極不均勻電場對水蒸發的影響2020-12-11 作者：張立 楊蘭均 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室的研究人員張立、楊蘭均、 喻夢晗、詹唯、郭勝輝，在2019年第18期《電工技術學報》上撰文，利用水體為接地電極，在水面上方設置網電極和線電極并施加高電壓，以觀察均勻電場和極不均勻電場對水蒸發的影響。 研究結果表明：利用網電極產生垂直水面的均勻電場可以促進水蒸發。利用線電極可產生極不均勻電場，水面上電場方向豎直向下，同時線電極表面會產生放電。當外施電壓較低，線電極表面放電較弱時，放電產生的空間電荷攜帶水分子回到水面，產生抑制蒸發的效果。隨著外施電壓的增加，線電極表面放電強度增加，離子風開始發展，增加了水面上空氣的對流，明顯促進水的蒸發。與僅施加電場相比，利用線電極產生離子風促進蒸發的效果更加顯著。本文利用熱力學理論對該實驗現象和原理進行了解釋。
電暈是一種常見的放電形式，人們對電暈放電的探索從對電暈起始電壓、電流脈沖等宏觀現象的研究深入到微觀粒子輸運、放電機理的研究。離子風是電暈放電伴生的一種現象，相對利用風扇產生風的方法，離子風具有低功耗、無需機械旋轉部件、低噪聲和離子豐富等特點，在推進、強化對流散熱、空氣除塵、干燥等領域受到了廣泛的關注。
離子風干燥技術被認為是最適用熱敏材料脫水的高效非熱能技術，可以在食品、藥品、生物制品干燥中具有廣闊的應用前景。相對于熱風干燥技術，離子風干燥的能耗更低，因為使用熱風干燥時需要加熱空氣，加熱后的空氣會帶走熱量。干燥生物材料時，根據生物材料類型、初始最終含水量和操作條件，離子風干燥速率通常比自然蒸發快1.3～4.52倍，干燥時間可以縮短15%～40%。
研究也發現電極形式對干燥效果有很大的影響，Lai F. C. 等對單針電極、多針電極和線電極的增強干燥效果進行實驗，發現在較低的外施電壓下，使用線電極比針頭電極的干燥效果更好，就單位質量干燥物質使用的能量而言，使用單個電極比多個電極干燥效率更高，并且采用正極性電壓比負極性效率更高。與電極方向垂直的來流風速對干燥的效果也有很大影響，在較低風速下離子風干燥的效果更明顯，高風速的來流會對離子風有抑制作用。
Dalvand M. J. 等發現，多針電極干燥時，電極電壓越高，電場強度越強，干燥效果越好。Lai F. C.的研究結果表明，離子風對實際應用的干燥效果取決于許多因素，包括電極間距、電暈極性、材料特性等。
離子風干燥的主要原理是利用離子風增加被干燥物體上空氣的對流，使水蒸發的速度變快。為了產生離子風，在設置電極時電極間距往往很近，電壓也接近對應電極布置下的擊穿電壓。如果增加電極間距并適當降低電壓，可以削弱離子風的強度，此時放電可能會產生抑制蒸發的效果。
利用在農田上方布置導線產生對地的電暈放電可以抑制土壤的蒸發。Arif-Uz-Zaman M. 等證明了電場可以富集水分子使空氣濕度增加，這是基于水分子介電泳原理：水分子會趨于向電場強度增強的方向運動[27]。空間電荷激勵的極不均勻電場也能吸引水分子，并形成荷電的微小液滴。Reznikov M.總結了荷電液滴半徑與液滴帶電量、外界蒸汽壓之間的關系。
本文利用水體為接地電極，在水面上設置了網電極和線電極兩種電極形式并施加高電壓。利用網電極可以產生垂直于水面的強電場，利用線電極可以產生放電。本文研究兩種電極配置對水面蒸發的影響，并嘗試對產生的促進蒸發和抑制蒸發的現象給出理論解釋。
圖1 高濕度環境下蒸發實驗裝置示意圖
結論
本文通過理論實驗和推導計算的方式，研究了均勻電場和極不均勻電場對蒸發的影響，得到的結論如下：
- 1）以水體為接地電極，在水面上施加垂直作用在水面上的均勻電場對水的蒸發有促進作用，隨著電場強度的增加，促進蒸發的效果更加明顯。
- 2）以水體為接地電極，在水面上方激勵出極不均勻電場并產生放電，當電極間距較大并且外施電壓較低時，放電強度較弱，此時空間中會存在一定量的空間電荷，由于空間電荷可以富集水分子形成微小液滴，微小液滴在電場力作用下發生電泳，重新落回水面，使水的蒸發速度降低。
- 3）以水體為接地電極，在水面上方激勵出極不均勻電場并產生放電，當外施電壓增大，放電的強度增加到一定程度時，離子風得到加強，水面上對流增加，與電場協同作用下，促進水的蒸發。與僅施加垂直于水面的均勻電場相比，使用離子風促進蒸發的效果更加顯著。
