雙氣流道輔助靜電噴頭設計與試驗

周良富， 張 玲， 薛新宇， 秦維彩， 孫 竹， 周晴晴， 陳 晨

(農業部南京農業機械化研究所，江蘇南京 210014)

靜電噴霧是近50年發展起來的一種新型施藥技術，依靠荷電霧滴與作物靶標間的靜電效應，使霧滴吸附在植株表面，大大增加藥液的沉積量，減少農藥飄移，提高農藥有效利用率[1]。靜電噴霧的巨大優勢使國內外學者投入了大量的研究工作，其中主要包括(1)靜電噴霧基礎理論與部件研究。賈衛東等運用相位多普勒粒子分析儀(phase doppler particle analyzer，簡稱PDPA)研究了充電電壓與霧滴粒徑、速度及霧流場分布的關系[2-3]，結合扇形噴霧噴頭設計了一種雙平板感應式荷電裝置，并在風幕式噴桿噴霧機上進行了運用和試驗[4]。Moon等設計了一種環形感應式靜電噴頭，通過加載脈沖電壓發現，靶標區有較大的荷電流，最高可達27 μA[5]。茹煜等設計了航空雙噴嘴靜電噴頭，分析了雙噴嘴環狀電極對空間電場與荷電效果的影響[6]。根據航空靜電噴頭在輕型飛機上的應用特點，從靜電電極、噴頭材料、噴頭加工工藝等方面進行了改進設計[7-8]。(2)靜電噴霧設備的研制與優化。Law等最先研制了氣流霧化靜電噴頭MaxCharge[9-10]，之后美國ESS公司在此基礎上研制了系列靜電噴霧機。Pascuzzi等利用該系列產品的150RB14型懸掛式靜電噴霧機在葡萄園進行了系統試驗[11]。Mamidi等在優化電極結構與位置的基礎上，設計了背負式手持靜電噴霧機，并在盆栽作物上進行了試驗，其霧滴覆蓋率與均勻性提高了2～3倍[12]。國內的何雄奎等將靜電噴霧、風送噴霧和對靶噴霧相結合，研制了果園靜電噴霧機[13-14]。(3)靜電噴霧參數與效果試驗研究。Giles等研究了感應電壓、作業速度、靶標高度與噴霧方向對霧滴覆蓋率的影響[15]。Zhao等采用數值分析法研究了不同霧滴粒徑、荷質比和噴霧距離下霧滴的運行軌跡，結果顯示，隨著荷質比的增加霧滴在冠層的沉積量增加，飄移量減小，而荷質比隨噴霧距離的增加而快速減小[16]。吳春篤等研究了氣助式靜電噴霧對霧滴在冠層葉片背面的沉積特性，結果發現，靜電電壓、噴霧距離和氣流速度對霧滴在葉片背面沉積有顯著影響[17]。

目前的風送靜電噴霧技術研究只是把風送噴霧技術與靜電噴霧技術的簡單融合，沒有考慮到氣流與霧滴相互作用對噴頭的特殊要求，導致荷電霧滴在噴頭附近大量吸附，且霧滴荷電量在射程方向上快速衰減，最終造成荷電效果不理想。本研究從荷電霧滴動力學著手，分析霧滴荷電過程、荷電霧滴衰減與氣流速度的關系，設計雙氣流道輔助靜電噴頭，并通過靜電噴霧試驗驗證靜電噴頭的效果，為噴頭的應用與機具的設計提供技術支撐。

1 雙氣流道輔助靜電噴頭結構與工作原理

1.1 雙氣流道輔助靜電噴頭的主要結構

為解決荷電霧滴在電極附件上吸附和荷電量在空間內易衰減等問題，靜電噴頭采用雙氣流道輔助系統，其主要結構如圖1所示，該結構主要包括空心圓錐霧噴嘴、感應式仿形電極、雙氣流道系統和連接管道等。其中感應電極置于由高絕緣環氧樹脂制成的電極座內，選用12Z802-1Y103型高壓電源，其要求輸入電壓為12 V，輸出電壓為0～8 000 V；噴嘴選擇美國噴霧系統公司生產的TXR800053 VK型空心圓錐霧噴嘴，該噴嘴的噴霧角為80°，霧滴細，適合于果園、葡萄園和特色作物的風送噴霧。

1.2 雙氣流道輔助靜電噴頭的工作原理

雙氣流道輔助靜電噴頭的工作原理為：藥液在液泵工作壓力的作用下進入噴嘴并霧化；在高壓電源作用下(液路接地)，電極與霧流之間形成高壓電場，當霧化后的霧滴進入電場區后會被感應帶上與電極相反的電荷，荷電后的霧滴在內流道氣流作用下被快速輸運到作物靶標，荷電霧滴在靶標區環繞吸附(圖1)，外流道氣流可防治荷電霧滴在噴頭處吸附沉積，從而提高農藥在靶標背面的沉積量，減少農藥飄移，提高農藥利用率。其中靜電效果與電極結構參數、氣流速度和分布都有直接關系。

2 靜電電極的關鍵結構與參數

2.1 電極結構與工作參數

靜電電極的結構形式和尺寸是決定靜電噴霧荷電效果的主要因素。目前大多采用的是環形電極，這種電極加工方便，但電極與霧流之間的距離不能保持一個最佳值，即在靠近噴嘴處距離過大，遠離噴嘴處距離過小。距離過大影響荷電效果；距離過小容易造成荷電霧滴吸附于電極座，甚至會與霧流發生干涉，引起電流短路或電壓波動，進而影響霧滴的帶電效果。

本研究選用的TXR800053VK型空心圓錐霧噴嘴的噴霧角為80°，為使霧滴充電效果最佳，須保證電極與霧流處在最佳的相對位置，因此將電極設計成與噴霧角相一致的錐形電極。高壓電源一端與電極連接，另一端與液路連接并接地，仿形電極與霧滴組成電容器，并與環氧樹脂和空氣介質組成的絕緣電阻R并聯，假定高壓電源的電動勢為V0，電阻為R1，則感應充電的等效電路見圖2。當間距遠小于電極尺寸時，可通過平行板電容器電容計算式計算電容C。

(1)

式中：C為電容器電容，F；ε為絕緣層的介電常數，環氧樹脂的介電常數為2.5～6.0；k是與真空介電常數相關的常數；Q為感應靜電荷量，C；U為充電電壓，V；S為電極表面積，m2；L為霧流和電極之間的距離，m。

由式(1)可知，電極所能帶的電量與絕緣層的介電常數ε成正比；與電極感應面積S成正比；與霧流和電極之間的距離L成反比。其中電極感應面積S與噴嘴和電極的間距T、霧流與電極的間距L、電極高度H和噴霧角β相關，電極結構參數關系如圖3所示，計算式如式(2)。因此T、H、L是電極設計的主要參數。

(2)

其中， 霧流和電極之間的距離L包括環氧樹脂厚度和空氣介質厚度(d)2部分。該噴頭的環氧樹脂厚度設計為2 mm，空氣介質厚度可通過試驗方法確定，取0.3～0.6 MPa噴霧壓力下的荷電霧流與電極座不發生干涉的最小空氣介質厚度值，試驗結果認為，以d=5 mm為宜，因此L=7 mm。T、H與荷電流呈正相關關系，同時T、H值受噴頭外形尺寸限制，綜合考慮荷電效果與噴頭外形尺寸，取T=5 mm，H=10 mm。

2.2 氣流道設計

荷電霧滴在紊動氣流場作用下的運動受力復雜，其中在射流方向上主要考慮氣流曳力和電場力作用，為保證霧滴的荷電效果，避免電場強度和霧滴荷電量在射流方向上快速衰減，只能通過增大氣流曳力將霧滴快速輸運脫離電極附近的強電場區，從而使霧滴不在噴頭電極處聚集。霧滴脫離強電場區后，為避免由氣流速度梯度引起的霧滴荷電量衰減，設計氣流速度為u≥up，u′=up。霧滴運動動力學方程為：

式中：FD為曳力系數；u為內流道氣流速度，m/s；u′為外流道氣流速度，m/s；up為霧滴速度，m/s；q為霧滴荷電量，C；E為電場強度，V/m。其中霧滴速度的計算式為：

式中：Q為噴嘴流量，m3/s，選用工作壓力為0.4 MPa時的工作流量290 mL/min；S為噴口截面積，m2，選用的噴頭孔直徑為0.6 mm；將數據代入式中可得up=17 m/s。

因此，為保證氣流曳力做正功，要求u≥17 m/s，u′=17 m/s，但對同一氣流源下的氣流速度只能均等分配，因而按u′=u=17 m/s設計，內外流道風量按截面面積分配計算。

式中：A1為內流道面積；A2為外流道面積；Q′為風機風量，選用風機最小風量80 m3/h，計算并取整得流道總面積為 1 307 mm2，分配并取整10得內流道面積為460 mm2，外流道面積為850 mm2。在實際工作中通過調節風量來改變氣流速度。

3 靜電噴霧試驗

為評價氣流輔助靜電噴頭性能，結合噴頭對氣流參數的要求，選用臨沂亞圣機電有限公司生產的3WF-11型背負式噴霧噴粉機為原型機，通過配置噴霧系統、靜電感應系統、電池動力系統和拖拉桿架研制成單管風送靜電噴霧機。以此為試驗平臺測試氣流輔助靜電噴頭的壓力流量特性、荷質比、霧滴沉積分布與飄移性能。

3.1 噴頭壓力流量特性

噴頭壓力流量是噴頭重要的性能參數，直接影響施藥作業參數的選擇。將噴頭安裝在噴頭試驗臺上，根據JB/T 9782—2014《植物保護機械通用試驗方法》測得的噴霧壓力為0.2～2.2 MPa，用量筒測量1 min的噴霧量，試驗結果取3次重復試驗的平均值，并繪制壓力流量曲線(圖4)。

由圖4可知，噴霧量(y)與噴霧壓力(x)的關系為y=0.366 7x0.467 3，其決定系數r2=1，對于沒有測試點的壓力流量關系也可以用上式計算。

3.2 靜電噴霧試驗方法

3.2.1 荷質比測試方法 荷質比是霧流所帶荷電量Q與霧流質量m的比值，是衡量霧滴荷電效果的重要指標之一。采用法拉第筒法測試荷電量，即將氣流輔助靜電噴頭安裝于距離法拉第筒進口200 mm處的中心軸線上，內徑為550 mm的法拉第筒收集所有的霧滴。采用Keysight 34410A數字萬用表(量程為100 μA，61/2位讀數)測定所有霧滴帶電電流I，并記錄1 min內法拉第筒流出的霧流質量。本試驗主要測試不同噴霧壓力、不同感應電壓、不同噴霧高度、不同氣流速度下在距離噴嘴出口0.2、0.6、1.0、1.4、1.8 m處的荷質比。荷質比按下式進行計算：

式中：I為荷電霧滴放電電流值，A；m為霧滴群的質量，kg；t為測量時間，s。

3.2.2 霧滴沉積分布試驗方法 試驗采集點按圖5所示布置，其中采集距離為4 m，采集間距為0.5 m，采集高度為 1 m，每個采集距離布置A、B、C 3個采集點，每個采集點布置2張尺寸為26 mm×76 mm的水敏紙(瑞士先正達作物保護公司)檢測正、反面霧滴的沉積量，每個距離處以3個點的平均值作為試驗結果。噴頭在距離地面1.1 m處以一定速度(0.5～0.8 m/s)和額定工況(充電電壓為6 kV、噴霧壓力為 0.4 MPa、出口風速為32 m/s)噴清水，以靜電與非靜電2個工況分別通過采集區，待水敏紙干燥后收集紙卡于自封袋中，當天用顯微相機采集霧滴覆蓋圖像后，采用霧滴圖像處理系統測定紙卡上的霧滴覆蓋密度，取3個數據的平均值作為該測試點的霧滴覆蓋數(表1)。

表1 不同距離處靜電噴霧效果比較

3.2.3 霧滴飄移率試驗方法 靜電噴霧有助于減少霧滴飄移，增加霧滴在冠層的有效沉積。為考察靜電噴霧對農藥霧滴飄移的抑制作用，試驗選用盆栽(最大冠層厚度為 400 mm)為沉積對象，將噴頭固定在與冠層最厚處高度(1.2 m)相同的位置上，試驗裝置如圖6所示。在噴霧距離為1.0 m，感應電壓為6 kV，噴霧高度為1 m，噴霧壓力為 0.4 MPa 條件下，采用稱質量法通過調節噴霧機油門開度測試氣流速度為15、22、32 m/s時的霧滴飄移率。霧滴飄移率的計算公式為：

式中：η為飄移率，%；QP為噴頭在一定時間內的總量，g；Qt表示噴霧壓力為0.4 MPa時噴頭流量，Qt=290 g/min；QD為植株靶標上藥液沉積量，試驗時為噴霧起止時電子稱上的質量變化量，g；t為噴霧時間，本試驗設為5 min。

3.3 靜電噴霧試驗結果及分析

3.3.1 荷質比影響規律 在噴霧高度為1 m、充電電壓為 6 kV、出口風速為32 m/s的條件下，試驗研究0.2、0.3、0.4 MPa 工作壓力下荷質比沿射程的衰減規律。由圖7-a可知，荷質比與噴霧壓力呈正相關關系；當增大噴霧壓力時，相應的霧滴粒徑會減小，荷電能力增強。粒徑小的霧滴更容易荷電，所以霧流的荷質比隨噴霧壓力增大而增大。

在噴霧高度為1 m、噴霧壓力為0.4 MPa、出口風速為 32 m/s 的條件下，試驗測試了5、6、7 kV感應電壓荷質比沿射程的衰減規律。由圖7-b可知，在噴頭出口處，荷質比與感應電壓呈正相關，但由于高壓感應電極所能產生的感應電場較強，在特定的輔助氣流下，霧滴難以脫離強電場區，造成荷電量的衰減，所以在距離噴頭出口0.6 m處，7 kV感應電壓所殘留的荷質比驟降。

在噴霧高度為1 m、充電電壓為6 kV、噴霧壓力為 0.4 MPa 的條件下，試驗測試了氣流速度為22、32 m/s時，荷質比沿射程的衰減規律。由圖7-c可知，氣流速度為32 m/s時每個測試點的荷質比均高于氣流速度為22 m/s的荷質比，主要是因為氣流速度所產生的氣流曳力加速了荷電霧滴的輸運，減小了荷電量的衰減。

在充電電壓為6 kV、噴霧壓力為0.4 MPa、氣流速度為 32 m/s 的條件下，試驗測試了噴霧高度為0.5、1.0 m時，荷質比沿射程的衰減規律。由圖7-d可知，噴霧高度為0.5 m時的荷電霧滴荷電量衰減較1.0 m時劇烈，主要是因為在一定的氣流輸運下，地面對荷電霧滴具有較大的影響，離地面越近荷電量越容易衰減。

由圖7可知，在距離噴頭出口0.2 m處荷質比約為 1.0 mC/kg，且荷質比在沿射程方向上逐步衰減，在0.6～1.0 m 處衰減最劇烈，而后趨于平緩。因此在制定田間作業參數時，須根據作業需求選擇噴霧距離，建議噴霧距離設在1.0 m以內，以保證荷電效果。

3.3.2 靜電噴霧沉積效果分析 由表1可以看出，靜電噴霧時其正面霧滴覆蓋密度略小于非靜電噴霧，主要是因為靜電噴霧時荷電霧滴帶相同性質的電荷后相互排斥，其霧滴群與非靜電噴霧時相比更擴散，所以正面的霧滴覆蓋密度略小。采集距離在1.0 m以內時，靜電噴霧的反面霧滴覆蓋密度比非靜電噴霧提高15%以上；采集距離在1.5～2.0 m之間時，靜電噴霧的反面霧滴覆蓋密度提高10%左右；當采集距離大于2.0 m時，靜電噴霧反面霧滴覆蓋密度低于非靜電噴霧。因為在特定的氣流速度下，荷電霧滴受地面的吸附作用，難以到達較遠的距離。

3.3.3 靜電噴霧對霧滴飄移率的影響分析 由圖8可知，靜電噴嘴可以有效降低霧滴飄移。氣流速度越大飄移越嚴重，氣流速度為15 m/s時靜電噴霧飄移率<5%；氣流速度為 32 m/s 時靜電噴霧飄移率<20%；與非靜電噴霧相比，在15、22、32 m/s風速下靜電噴霧的飄移率分別降低50.0%、22.5%、10.7%。

4 結論

為解決荷電霧滴易吸附、易衰減等問題，設計雙氣流道輔助靜電噴頭。研究結果顯示，在充電電壓為6 kV、噴霧壓力為0.4 MPa、氣流速度為32 m/s的條件下，噴頭的初始荷質比大于1.0 mC/kg。采集距離在1.0 m以內時，靜電噴霧的反面霧滴覆蓋密度比非靜電噴霧提高15%以上，在采集距離為1.5～2.0 m之間靜電噴霧的反面霧滴覆蓋密度提高10%左右。氣流速度在15、22、32 m/s時，靜電噴霧的飄移率分別降低50.0%、22.5%和10.7%。本研究可為靜電噴頭的推廣應用提供技術支持，同時也可為以該型式噴頭為部件大型噴霧機的設計提供參考。

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