电-流体动力学增强电除尘器：离子风促进的传质与换热

基于Brandenburg理工大学（Christian Bacher, Ulrich Riebel）的实验研究与工程化启示

关键词
Electrostatic precipitation, Ionic Wind, Electro-Hydrodynamics, Mass and Heat Transfer, 烟气治理, 节能减排

在当前中国工业烟气治理与节能减排的背景下，电除尘器（ESP）不再只是颗粒捕集设备，而正成为可用于增强传质与换热的多功能单元。来自德国Brandenburg Technical University Cottbus-Senftenberg的Christian Bacher与Ulrich Riebel的实验研究，系统探讨了电-流体动力学（Electro-Hydrodynamics, EHD）所产生的离子风（Ionic Wind）如何改变流场并显著提升传热与传质性能[1]。

电场下由电晕放电形成的空间电荷对气体施加库仑力，驱动离子与气体产生宏观诱导流动，典型诱导速度可达2–5 m/s[2,3]。在管壁附近，边界层理论指出传热与传质受限于薄层分子扩散，当电场引发的湍流增强时，边界层厚度减薄，从而提高Nusselt与Sherwood数。论文强调，在工程化推广中，压降（压力梯度）作为表征湍动强度与壁面剪应力的可测指标，比直接测量传热或传质系数更适于广范围参数评估，并通过Darcy摩擦因子与压力梯度建立工程联系[1]。

作者在线管（wire-tube）电除尘器试验装置上开展了系列测量：管径78 mm，放电线通常为1.5 mm，测点间距约0.9 m，来流发展段约240 mm。结果显示，负极性下随电压增大压降明显上升，低平均流速（0.5 m/s）时相对增幅更大，表明EHD湍流对低速工况更容易产生影响；而正极性作用较弱，可能因正电晕为较均匀的辉光放电而产生较少的空间电荷不均匀性（进而湍动较小）[1,4]。在高浓度气溶胶（约10^14 #/cm3，模态直径约220 nm）条件下，颗粒携带的空间电荷也改变了径向电荷分布，从而影响压降和湍动生成，显示工业烟气中粒子效应不可忽视[1]。

为直接评估传热/传质增益，研究采用两套实验：一是局部传热系数测量，利用直径55 mm的冷体传感器贴合78 mm管段测得局部h值。结果表明，在负电压下h随电压增加，且低流速条件下相对提升更明显；二是并流落膜吸收器实验，以醋酸作为吸收物在0.7 m/s空气流中测试，借助火焰离子化检测器（FID）测定出口浓度，得到的整体质量传递系数亦随负电压上升而增强，正极性效果弱于负极性[1]。

在工程方法上，作者提出两种简化思路：一是将ESP条件下测得的压力梯度，映射为标准管路中的等效平均流速，从而以常见经验相关式估算传热/传质；二是基于雷诺平均与Boussinesq近似，利用壁面剪应力由压力梯度求得局部湍动黏性并计算径向涡扩散系数，用于标量（浓度、空间电荷密度）传输方程的求解，避免高成本的全三维CFD解析[1,7–12]。

面向中国市场，这一技术路径对浆纸、钢铁、水泥与化工等行业具有明确价值：通过在电除尘器中主动利用离子风增强落膜吸收或余热回收，可同时实现颗粒排放达标、废气脱酸/脱卤与余热回收，提高燃料利用率并降低运维成本。艾尼科（Enelco）在极板/极线结构优化、电场分布设计与模块化电除尘器产品方面具有多年积累，可为工业用户提供低频改造方案与成套装置，将EHD增强功能与现有烟气净化、换热单元集成，缩小占地、降低CAPEX与OPEX。未来可期望的趋势包括：将ESP与落膜吸收、双管式换热器等集成的一体化烟气处理模块化产品，以及基于等效流速与涡扩散系数的工程设计手册，帮助应用于分布式能源、余热回收与小型生物质热电联产装置[1]。

综上，Bacher与Riebel的研究为将电-流体动力学效应从“问题”转为“功能”提供了量化基础，结合企业的工程化能力（如艾尼科在电场与电极优化的技术储备），有望推动电除尘器在中国工业烟气治理中的创新应用，实现更高效的传质与换热、合规排放与系统节能。[资助信息：本项目（EFRE-StaF 23035000）由欧洲区域发展基金支持][1]。

参考文献
[1] Bacher C., Riebel U., Investigation of electrohydrodynamically enhanced turbulence in wire-tube electrostatic precipitators for enhanced mass and heat transfer, ICESP 2018, Charlotte, USA, 9–11 October 2018.
[2] Rickard M., Dunn-Rankin D., Weinberg F., Carleton F., Characterization of ionic wind velocity, Journal of Electrostatics, Vol. 63 (2005).
[3] Moreu E., Touchard G., Enhancing the mechanical efficiency of electric wind in corona discharges, Journal of Electrostatics, Vol. 66 (2008), pp. 39–44.
[4] Atten P., McCluskey F.M.J., Lahjomri A.C., The electrohydrodynamic origin of turbulence in electrostatic precipitators, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. IA-23 (1987), pp. 705–711.
[5] Ohadi M.M., Li S.S., Webber J.M., Kim S.W., Whipple R.L., Humidity, Temperature and Pressure Effects in an Electrostatically Enhanced Heat Exchanger, Scientia Iranica, Vol. 1 (1994), pp. 97–110.
[6] Mnich R., Riebel U., Toshev P., Junker J., Bio-elektrische Gasreinigung mit „BEGA“, Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft, Vol. 68 (2008), pp. 167–172.
[7] Go D.B., Garimella S.V., Fisher T.S., Ionic Winds for Locally Enhanced Cooling, Journal of Applied Physics, Vol. 102 (2007), DOI:10.1063/1.2776164.
[8] Taylor G.I., Diffusion by continuous movements, Proceedings of the London Mathematical Society (1920), pp. 196–212.
[9] Sarma P.K., Chada K., et al., Evaluation of momentum and thermal eddy diffusivities for turbulent flows in tubes, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 53 (2010), pp. 1237–1242.
[10] Pope S.B., Turbulent Flows, Cambridge University Press (2000).
[11] Zagarola M.V., Smits A.J., Scaling of the Mean Velocity Profile for Turbulent Pipe flow, Physical Review Letters, Vol. 78 (1997), pp. 239–242.
[12] Wu X., Moin P., A direct numerical simulation study on the mean flow characteristics in turbulent pipe flow, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 608 (2008), pp. 81–112.
[13] Malin M.R., Turbulent Pipe flow of Power Law Fluids, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 24 (1997), pp. 977–988.