靜電噴頭電極對霧滴沉積效果的影響

廉　琦，張　偉

(黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶　163319)

?

靜電噴頭電極對霧滴沉積效果的影響

廉琦，張偉

(黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶163319)

摘要：靜電噴霧技術可有效提高霧滴在作物表面的沉積率。為此，針對ARAG圓錐霧型噴頭設計了一種圓錐形充電電極，實現了對霧滴感應充電的功能。對搭載該充電電極的噴頭進行噴霧沉積性能試驗，并對噴霧壓力、充電電壓和噴霧高度3個因素進行了正交試驗，通過極差分析、方差分析得出了3種因素對霧滴沉積率的影響顯著性由大到小依次是充電電壓、噴霧壓力、噴霧高度。靜電噴霧霧滴的沉積效果的最優組合為：噴霧壓力0.3MPa，充電電壓10kV，噴霧高度50cm；該組合下的得到的最佳沉積率為60.12%。本研究為大田中的實際噴霧效果的提高提供了理論和數據的支持。

關鍵詞：靜電噴霧；圓錐形；霧滴荷電；沉積率

0引言

農藥靜電噴霧技術是近年來發展起來的一項新的植保施藥技術，具有霧滴尺寸均勻、沉積性能好、飄移損失小、霧群分布均勻，尤其是在植物葉片背面也能附著霧滴等優點[1]。20世紀40年代，美國一些大學針對農藥粉劑進行了正式的試驗研究，結果表明：在靜電場作用下的農藥藥粉，在植物上的附著率顯著提高[2]。在歐美，隨著農藥粉劑使用量的不斷減少，靜電施藥技術研究也轉向了液體農藥[3]，如美國、英國和加拿大等國都先后對液體農藥靜電噴霧進行了深入研究，并促使其產業化[4]。這些國家的研究結果表明：靜電噴霧的確明顯提高了藥液在噴灑目標表面特別是目標背面的覆蓋率，減少了小霧滴的飄移，噴霧效果明顯提高。20世紀80年代末，美國佐治亞大學的S.E.Law等專家首先將靜電噴霧技術應用于液體農藥的實際噴灑作業中，從而成功地研制了靜電噴霧系統[5]。

我國靜電噴霧技術的研究始于20世紀70年代末[6]。首先，對手持式靜電噴霧器進行了研究，并在多種作物上進行了大量噴灑分布及防治效果實驗[7]；但由于這些研究只是在設備和功能上進行研究，并沒有對靜電噴霧進行更深入的理論性研究，因此實驗效果不佳，都沒有得到推廣應用。隨后，江蘇理工大學對靜電場作用下的液滴霧化展開了較為系統的研究，認為靜電作用可以降低液體表面張力，減小霧化阻力，同時同性電荷間的排斥作用產生與表面張力相反的附加內外壓力差，從而提高霧化程度[8]。進入到20世紀90年代后，以鄭加強為代表的一些學者做了大量的研究，研究方向主要針對荷電過程、作業參數及噴霧效果試驗方面的研究[9]，這些研究中所采用的靜電噴頭的電極結構大致相同[10]；而傳統的圓柱形電極應用圓錐霧型噴頭時，由于電極內壁與噴霧邊緣的距離逐漸減小，很容易在感應環末端造成積液，影響荷電效果[11]。目前，針對其他形式的電極對荷電性能影響情況的研究較少。

為此，本文根據圓錐霧型噴頭的噴霧特點，設計了一種管狀空心圓錐型的充電電極，通過對搭載該充電電極的噴頭進行噴霧性能試驗研究，以期解決傳統充電電極存在的問題，提高靜電噴頭的荷電性能，為實際作業過程中提高霧滴的沉積效果提供參考。

1感應充電電極的設計

1.1電極形狀的設計

常規的圓柱充電電極環內部的霧型是呈錐形擴散的，所以在充電電極環內部，隨著噴霧距離的增加，噴嘴霧化范圍隨之增大；而圓柱形感應環內徑尺寸是固定不變的，會導致霧滴很容易噴到充電電極環內壁上而引起放電，影響霧化效果，且不利于系統安全運行[12]。為了避免隨霧化范圍擴大后將霧滴噴到電極環內壁，只能增大圓柱型充電電極環的直徑；但在感應荷電范圍內，充電電極環直徑增加，電極環同噴霧圓錐霧型邊緣的距離也隨之增加，電場對區域內霧滴的充電效果隨之下降。

針對以上問題，本研究采用不銹鋼材質設計了管式空心圓錐型電極。根據噴頭的噴霧角度，將圓錐形電極開口角度設計為80°，以利于在一定距離范圍內減小電極與霧型間距提高荷電效果的同時，不會產生隨軸向噴霧范圍增大而使霧滴噴在電極內壁的現象，有助于提高噴霧荷電效果。

1.2電極高度的設計

電極高度的設計主要取決于霧型充電區域的大小。液體的霧化過程分為霧流、霧膜、霧滴這3個形態過程；而充電電極的充電過程主要作用在霧滴形成前的霧膜區域[12]。處在霧膜狀態時，由于液體并沒有發生霧化，或即將發生霧化，因此該狀態下的霧型也是最穩定的，一旦液體開始霧化，細小霧滴會向霧型四周擴散，因而會影響靜電噴霧充電效果。因此，通過高感光工業攝像機對噴頭噴霧過程進行拍攝，并對霧膜區域的軸向范圍進行測量，得出噴嘴下方軸向距離10mm以內的霧型最為穩定，無霧滴向周圍的飄散現象，說明這段距離內噴霧處于霧膜階段，尚未完全細化成霧滴，因此將充電電極高度設計為10mm。

1.3電極口徑的設計

電極口徑的設計主要根據電極內壁與霧型邊緣的距離來確定。在靜電噴霧充電過程中，錐形霧膜與空心錐充電電極相當于構成了一個平行板電容器[13]；霧型與電極內壁間的空氣相當于電容器間的絕緣介質，因此霧膜上感應攜帶的電荷量可以用平行板電容器電荷量來計算，有

Q=C×U

(1)

式中εr—介電常數；

S—霧極正對面積；

K—靜電力常量；

d—霧極間距。

由公式(1)可以看出：電荷量Q與電容和電壓成正比，電容與電極正對面積成正比，與霧極間距成反比。所以，在電極正對面積一定的情況下，為了提高霧膜攜帶電荷量，要盡可能地減小霧極間距，即減小電極口徑。但是，為了提高系統安全性，避免發生放電現象，電極最小口徑要求霧滴不能噴附在電極內壁上，因此通過在噴霧邊緣與霧型平行放置水敏紙，在水平方向由遠到近平移水敏紙靠近霧型。當水敏紙上接收到霧滴時停止移動，并測得此時水敏紙距離霧型邊緣的水平距離，通過測量得出水敏紙與霧型最小的非接觸距離為8mm。將感應環小口半徑設計為8mm，通過電極角度和電極高度計算得出大口半徑為16.5mm，結構如圖1所示。

圖1　電極結構參數

2充電電壓對沉積率影響試驗

靜電噴霧使霧滴攜帶了電荷，且電荷呈現出與電極相反的電性，因此在荷電霧滴下落過程中霧滴周圍會產生電場。由于植物葉片含水量多，相當于導體，當霧滴下落到葉片周圍時，霧滴周圍的電場就會對植物葉片產生靜電感應現象，使葉表感應出與霧滴極性相反的電荷，從而在霧滴和植物葉片之間產生相互吸引電場力，從而提高霧滴在葉片上的沉積能力[14]。

決定霧滴對葉片吸附能力的關鍵就是霧滴攜帶的電荷量的多少。由公式(1)可以看出：電荷量Q與感應環上的充電電壓成正比。因此，本試驗主要探究沉積率隨充電電壓的變化規律。

2.1試驗條件

噴霧試驗在實驗室內進行，室內溫度20℃。以水作為噴霧試驗材料，充電電壓調節范圍0～12kV，噴頭噴霧壓力變化范圍在0～4.0MPa。

2.2試驗設備及儀器

試驗系統主要包括噴霧試驗臺、靜電噴頭及沉積率測量儀器3部分。其中，噴霧試驗臺為WFS-Ⅱ型綜合噴霧試驗臺，具有測量噴霧壓力、流量、角度、粒徑及均勻性等功能。主要技術參數如下：

臺架尺寸(長×寬×高)/mm：3 600×2 100×2 200

液體體積測量精度/mL：±2

角度的測量精度/(°)：±1

單次試驗時間/s：設定范圍30～60，精度： ±1

噴頭最大噴量/L·min-1：0～4

液泵最大可測量壓力/MPa：0～2.5

液泵最大可測量流量/ L·min-1：0～100

水泵調速范圍/r·min-1：0～ 960

集霧槽間距/mm：50±0.5

噴桿架上下調節距離/mm：300 ～ 800

工業黑白數字攝像頭/分辨率：640×480 60FPS

定焦鏡頭焦/mm：8

靜電噴頭由圓錐霧形噴頭、空心圓錐充電電極及高壓靜電發生器組成。其中，噴頭型號為80-015，噴霧角度為80°，噴霧流量為0.15加侖/min，高壓靜電發生器電壓調節范圍0～12kV。

測量用具包括鋼尺、水敏紙、掃描儀及計算機等。

2.3試驗方法

試驗時，通過在噴頭下方懸空放置鋼尺作為導體，在鋼尺雙面粘貼水敏紙模擬植物葉片正反表面接收荷電霧滴，在0.25MPa的標準噴霧壓力下進行噴霧；利用靜電發生器在0～13kV范圍內，以1kV為增量依次改變充電電壓對噴霧進行充電，每組充電電壓下進行5次噴霧，取平均值。噴霧結束后，取下鋼尺上的水敏紙，利用微型掃描儀對水敏紙正反兩面附著的霧滴進行掃描，再利用分析軟件對掃描圖譜進行分析計算，以得出霧滴在水敏紙雙面的沉積率。

2.4試驗結果及分析

通過表1的試驗數據，得出正反面霧滴沉積率隨充電電壓的變化規律曲線，如圖2所示。正面沉積率隨充電電壓的變化呈現平緩增加趨勢，當充電電壓達到3.5kV以后，反面水敏紙開始有液滴沉積，說明此時荷電霧滴產生電場對鋼尺產生靜電感應現象，影響了鋼尺表面的電荷分布情況。因此，霧滴與鋼尺表面存在相互吸引的電場力，且該時刻電場力能后克服霧滴下落時受到的自身重力，因而能吸附在鋼尺背面的水敏紙上。

表1　不同充電電壓下的霧滴沉積率

在充電電壓達到8kV以后，霧滴沉積率增長趨勢逐漸平緩甚至下降。這是因為隨著充電電壓的增大，霧滴攜帶的電荷量趨于飽和狀態；且繼續增大電壓，由于極周圍產生的強靜電場，會對電極附近剛剛霧化后的細小液滴產生吸引力而影響荷電霧滴的沉積效果。在充電電壓為8kV時，得到了本試驗最佳霧滴沉積率為正面28.57%，反面8.61%。通過與充電電壓為0kV的對照組相比，正面沉積率提高4.51%，反面沉積率提高8.61%。

隨后，本試驗以正反面沉積率之和代表作物表面霧滴總沉積率，并建立總沉積率隨充電電壓變化的散點圖和趨勢線，探究霧滴總沉積率隨充電電壓變化規律，如圖3所示。同時，建立了霧滴沉積率與充電電壓的回歸方程,R2=0.922 0，說明該方程具有較高可信度。

圖2　霧滴總沉積率隨充電電壓變化曲線

3噴霧壓力對沉積率影響探究

噴頭噴霧壓力的變化能夠使霧滴的物理性能發生變化(如霧滴表面張力及霧滴粒徑等)，而這些物理性質的變化也會接影響霧滴的荷電效果及在作物上的沉降效果。因此，本文在噴霧沉積試驗系統的基礎上，以8 000V對充電電極進行充電，通過改變液壓泵的工作頻率來改變噴頭的噴霧壓力，再次測量霧滴在水敏紙上的沉積率，來探究霧滴沉積率隨噴霧壓力的變化情況。

試驗結果如表2所示。根據試驗結果繪制了目標正反面沉積率隨噴霧壓力的變化曲線，如圖3所示。當噴霧壓力增大后，正面水敏紙上的霧滴沉積率增加明顯，而背面水敏紙的沉積率在0.3MPa后趨于平穩。這是因為隨著噴頭噴霧壓力的增大，噴頭的噴霧流量也隨之增大，且霧滴更加細密，因此在正面的水敏紙上的沉積率明顯增加；而背面水敏紙上的霧滴沉積，主要取決于荷電霧滴的荷電數量，當充電電壓不變，感應電極所產生的電場強度不變，因此霧膜上感應攜帶的電荷量Q不變。此時，增大噴霧壓力，單位時間內會有更多液體從噴嘴噴出，雖然霧滴數量增加，且霧滴粒徑變小，但是單個霧滴所攜帶的電荷量也隨之減少，單個霧滴荷電量減少，因此背面沉積效果并沒有明顯增大。通過對霧滴總沉積率隨噴霧壓力的變化散點圖繪制規律線，得出霧滴總沉積率隨噴霧壓力的增大呈現線性上升趨勢。通過軟件對趨勢線分析后得出了霧滴總沉積率隨噴霧壓力變化的線性回歸方程，R2=0.973 7，表明該回歸方程具有較高的可信度。

表2　不同噴霧壓力下的霧滴沉積率

4正交試驗

4.1試驗設計

針對安排多因素試驗、尋求最優水平組合，常見的試驗方法是正交試驗。它是在試驗因素的所有水平中挑選具有代表性的水平進行試驗，通過分析試驗結果，找到最優的水平組合[15]。本文采用3因素3水平正交試驗對噴霧壓力、噴霧高度和充電電壓進行噴霧沉積率試驗分析。

通過單因素試驗確定出噴霧壓力的試驗水平為0.2、0.25、0.3MPa。充電電壓的試驗水平為6、8、10kV。根據植保噴霧操作要求確定噴霧高度的試驗水平為40、50、60cm。本文選用的L9(34)正交試驗表，如表3所示。

圖3　總沉積率隨噴霧壓力變化趨勢

試驗水平U/kVP/MPaH/cm160.2040280.25503100.3060

4.2試驗結果

根據正交試驗表安排了9次試驗，試驗結果如表4所示。

表4　正交試驗結果表

4.3試驗結果分析

4.3.1極差分析

極差分析結果計算表如表5所示。

表5　極差分析計算表

表5中，K1、K2、K3的3個數分別表示試驗因素充電電壓U、噴霧壓力P、噴霧高度H在第1、2、3水平所在試驗中對應的標準偏差和；k1、k2、k3的值是各水平的平均值；極差R是在同一列中最大值與最小值的差值，它衡量各個因素的水平改變時對試驗結果影響的大小。

從表5中可以看出：3個極差中，因素U的極差最大，說明充電電壓改變時對噴霧沉積率的影響最大；其次為噴霧壓力；影響最小的是噴霧高度。因素U中的3個水平中對應的沉積率分別為97.22、137.13、151.61，第3個水平最大，所以取第3個水平U3對噴霧沉積效果最好。同理，其他兩個因素中，P3和H2對噴霧沉積效果最好。

由此得出結論：對靜電噴霧沉積率影響大小的因素排序為充電電壓、噴霧壓力、噴霧高度，并得出靜電噴霧的最好方案為充電電壓U為10kV、噴霧壓力P=0.3MPa、噴霧高度H=50cm。

4.3.2試驗結果的方差分析

通過對試驗結果的極差分析，找到了各因素對沉積率影響的主次順序和各因素水平的最佳組合。本節將通過方差分析檢驗各因素下不同水平對試驗結果的影響是否顯著。方差分析表如表6所示。

通過表6可以看出：3個因素對沉積率的影響均顯著，且因素的顯著程度排序分別為U>P>H。方差分析所得結果與上節極差分析結果一致，說明誤差并沒有影響試驗結果的正確性。

表6　方差分析表

4.4試驗驗證

通過對正交試驗得出的各因素的最佳水平組合，進行了驗證試驗。以10kV的充電電壓、0.3MPa的噴霧壓力、50cm的噴霧高度進行了多次試驗，得出在該因素水平組合下的平均霧滴沉積率為60.12%。

5結論

1)設計了圓錐霧型噴頭充電電極，并通過理論分析和計算得到了最佳的電極結構參數，提高了靜電噴霧霧滴荷電效果。

2)通過設計靜電噴霧試驗系統，對靜電噴頭的噴霧沉積性能進行了試驗，結果表明：霧滴荷電后，霧滴在目標表面的沉積率隨充電電壓的增大呈先增大、后減小的趨勢；在充電電壓為8kV時，得到的最佳沉積率為37.18%。與非靜電噴霧相比，其沉積率提高了13.12%。

3) 當充電電壓增大到3.5kV以后，目標背面開始有霧滴沉積；且隨著電壓的增大，目標總沉積率明顯增加。與非靜電體條件相比，沉積率增加效果較為顯著。

4)噴頭噴霧壓力的增加對霧滴荷電量基本沒有太大影響，因此對目標背面的霧滴沉積率的提高無明顯效果；但對目標總沉積率的增加效果比較顯著。

5)通過正交試驗確定了該靜電噴頭的最佳工作參數組合為噴霧壓力0.3MPa，充電電壓10kV，噴霧高度50cm。此時，最佳沉積率為60.12%。

參考文獻：

[1]鄭加強,徐幼林.農藥靜電噴霧技術[J]．靜電，1994，9(2)：8-11．

[2]Splinter WE Electrostatic changing of agric ultural sprays[J]．ASAE，1968,11(4)：491-495．

[3]Marchant J. A electrostatic changing of spraying producedby hydraulic nozzles [J].J.Agric.Engng．Res,1985，31(4)：329-360．

[4]Fischer J K．Electrostatic aerial spraying[J]．IEEE，1989，25(3)：558-562．

[5]沈從舉，賈首星，湯智輝，等.農藥靜電噴霧研究現狀與應用前景[J].農機化研究，2010，32(3):211-214.

[6]朱和平，冼福生，高良潤.靜電噴霧技術的理論與應用研究綜述[J].農業機械學報，1989，20(2):57-63.

[7]余泳昌，王保華，史景釗，等.手動噴霧器組合充電式靜電噴霧裝置的霧化效果試驗[J].農業工程學報，2005，21(12):85-88.

[8]余泳昌，王保華.靜電噴霧技術綜述[J].農業與技術，2004(4):190-195.

[9]崔琳，李林，孟凡騰,等.霧滴感應荷電的影響因素及相關性分析[J].煤炭學報，2012，37(8):1390-1395.

[10]賈衛東，李成，薛飛，等.背負式靜電噴霧器設計與試驗[J].高壓電技術，2012，38(5):1078-1083.

[11]楊超珍，葉五梅，趙偉敏.電極位置影響荷電量的試驗研究[J].高電壓技術，2007，33(10):79-82.

[12]周浩生,冼福生,高良潤.荷電射流霧化研究[J].江蘇理工大學學報,1995,16(4):7-11.

[13]楊超珍，吳春篤，陳翠英.環形電極感應充電機理及其應用研究[J].高壓電技術，2004，30(5):9-11.

[14]楊學昌，劉寒松.高效帶電農藥噴霧技術的研究[J].高電壓技術，1995，21(3):19-22.

[15]郝強，黨興.圓錐形噴頭噴霧二維分布均勻性試驗研究[J].農機化研究，2014，36(4):142-146.

The Effect of Electrostatic Nozzle Electrode and Spray Performance Test

Lian Qi, Zhang Wei

(Heilongjiang Bayi Agricultural university Faculty of Engineering , Daqing 163319, China)

Abstract：Electrostatic spray technology can effectively improve the droplets in the target crops, this paper aimed at the tubular type subject to routine test nozzle design conical charging electrodes, implements the charged droplets. Established in the laboratory by electrostatic nozzle spray performance test system, to spray performance test of the electrostatic sprayer, it is concluded that charged droplets on the surface of the target, deposition rate increased with the increase of charging voltage and spray pressure trend. Especially after the droplets charged in crops on the back of the effect of deposition rate increased significantly, the spray pressure is 0.35MPa, charging voltage to get thebest for 8 kv droplets deposition rate, positive was 34.78%, the reverse side is 10.62%. By means of optimization for electrostatic spray charging voltage and spray pressure, the improvement of the actual effect of spray in field provides data support.

Key words：electrostatic spray; conical; droplets charged; deposition rate

文章編號：1003-188X(2016)06-0188-06

中圖分類號：S491

文獻標識碼：A

作者簡介：廉琦(1990-)，男，黑龍江佳木斯人，碩士研究生，(E-mail) qqtt912@yeah.net。通訊作者：張偉(1968-)，男，遼寧大連人，教授，博士生導師，(E-mail)zhang66wei@126.com。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD06B01)

收稿日期：2015-07-22