廉　琦，張　偉

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶　163319)

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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(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶163319)

摘要：靜電噴霧技術(shù)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(shè)計(jì)了一種圓錐形充電電極，實(shí)現(xiàn)了對霧滴感應(yīng)充電的功能。對搭載該充電電極的噴頭進(jìn)行噴霧沉積性能試驗(yàn)，并對噴霧壓力、充電電壓和噴霧高度3個因素進(jìn)行了正交試驗(yàn)，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(yōu)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(shí)際噴霧效果的提高提供了理論和數(shù)據(jù)的支持。

關(guān)鍵詞：靜電噴霧；圓錐形；霧滴荷電；沉積率

0引言

農(nóng)藥靜電噴霧技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新的植保施藥技術(shù)，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(yōu)點(diǎn)[1]。20世紀(jì)40年代，美國一些大學(xué)針對農(nóng)藥粉劑進(jìn)行了正式的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：在靜電場作用下的農(nóng)藥藥粉，在植物上的附著率顯著提高[2]。在歐美，隨著農(nóng)藥粉劑使用量的不斷減少，靜電施藥技術(shù)研究也轉(zhuǎn)向了液體農(nóng)藥[3]，如美國、英國和加拿大等國都先后對液體農(nóng)藥靜電噴霧進(jìn)行了深入研究，并促使其產(chǎn)業(yè)化[4]。這些國家的研究結(jié)果表明：靜電噴霧的確明顯提高了藥液在噴灑目標(biāo)表面特別是目標(biāo)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(jì)80年代末，美國佐治亞大學(xué)的S.E.Law等專家首先將靜電噴霧技術(shù)應(yīng)用于液體農(nóng)藥的實(shí)際噴灑作業(yè)中，從而成功地研制了靜電噴霧系統(tǒng)[5]。

我國靜電噴霧技術(shù)的研究始于20世紀(jì)70年代末[6]。首先，對手持式靜電噴霧器進(jìn)行了研究，并在多種作物上進(jìn)行了大量噴灑分布及防治效果實(shí)驗(yàn)[7]；但由于這些研究只是在設(shè)備和功能上進(jìn)行研究，并沒有對靜電噴霧進(jìn)行更深入的理論性研究，因此實(shí)驗(yàn)效果不佳，都沒有得到推廣應(yīng)用。隨后，江蘇理工大學(xué)對靜電場作用下的液滴霧化展開了較為系統(tǒng)的研究，認(rèn)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(chǎn)生與表面張力相反的附加內(nèi)外壓力差，從而提高霧化程度[8]。進(jìn)入到20世紀(jì)90年代后，以鄭加強(qiáng)為代表的一些學(xué)者做了大量的研究，研究方向主要針對荷電過程、作業(yè)參數(shù)及噴霧效果試驗(yàn)方面的研究[9]，這些研究中所采用的靜電噴頭的電極結(jié)構(gòu)大致相同[10]；而傳統(tǒng)的圓柱形電極應(yīng)用圓錐霧型噴頭時，由于電極內(nèi)壁與噴霧邊緣的距離逐漸減小，很容易在感應(yīng)環(huán)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(jù)圓錐霧型噴頭的噴霧特點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(jìn)行噴霧性能試驗(yàn)研究，以期解決傳統(tǒng)充電電極存在的問題，提高靜電噴頭的荷電性能，為實(shí)際作業(yè)過程中提高霧滴的沉積效果提供參考。

1感應(yīng)充電電極的設(shè)計(jì)

1.1電極形狀的設(shè)計(jì)

常規(guī)的圓柱充電電極環(huán)內(nèi)部的霧型是呈錐形擴(kuò)散的，所以在充電電極環(huán)內(nèi)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(yīng)環(huán)內(nèi)徑尺寸是固定不變的，會導(dǎo)致霧滴很容易噴到充電電極環(huán)內(nèi)壁上而引起放電，影響霧化效果，且不利于系統(tǒng)安全運(yùn)行[12]。為了避免隨霧化范圍擴(kuò)大后將霧滴噴到電極環(huán)內(nèi)壁，只能增大圓柱型充電電極環(huán)的直徑；但在感應(yīng)荷電范圍內(nèi)，充電電極環(huán)直徑增加，電極環(huán)同噴霧圓錐霧型邊緣的距離也隨之增加，電場對區(qū)域內(nèi)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(zhì)設(shè)計(jì)了管式空心圓錐型電極。根據(jù)噴頭的噴霧角度，將圓錐形電極開口角度設(shè)計(jì)為80°，以利于在一定距離范圍內(nèi)減小電極與霧型間距提高荷電效果的同時，不會產(chǎn)生隨軸向噴霧范圍增大而使霧滴噴在電極內(nèi)壁的現(xiàn)象，有助于提高噴霧荷電效果。

1.2電極高度的設(shè)計(jì)

電極高度的設(shè)計(jì)主要取決于霧型充電區(qū)域的大小。液體的霧化過程分為霧流、霧膜、霧滴這3個形態(tài)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(qū)域[12]。處在霧膜狀態(tài)時，由于液體并沒有發(fā)生霧化，或即將發(fā)生霧化，因此該狀態(tài)下的霧型也是最穩(wěn)定的，一旦液體開始霧化，細(xì)小霧滴會向霧型四周擴(kuò)散，因而會影響靜電噴霧充電效果。因此，通過高感光工業(yè)攝像機(jī)對噴頭噴霧過程進(jìn)行拍攝，并對霧膜區(qū)域的軸向范圍進(jìn)行測量，得出噴嘴下方軸向距離10mm以內(nèi)的霧型最為穩(wěn)定，無霧滴向周圍的飄散現(xiàn)象，說明這段距離內(nèi)噴霧處于霧膜階段，尚未完全細(xì)化成霧滴，因此將充電電極高度設(shè)計(jì)為10mm。

1.3電極口徑的設(shè)計(jì)

電極口徑的設(shè)計(jì)主要根據(jù)電極內(nèi)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(dāng)于構(gòu)成了一個平行板電容器[13]；霧型與電極內(nèi)壁間的空氣相當(dāng)于電容器間的絕緣介質(zhì)，因此霧膜上感應(yīng)攜帶的電荷量可以用平行板電容器電荷量來計(jì)算，有

Q=C×U

(1)

式中εr—介電常數(shù)；

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(tǒng)安全性，避免發(fā)生放電現(xiàn)象，電極最小口徑要求霧滴不能噴附在電極內(nèi)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(yuǎn)到近平移水敏紙靠近霧型。當(dāng)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(yīng)環(huán)小口半徑設(shè)計(jì)為8mm，通過電極角度和電極高度計(jì)算得出大口半徑為16.5mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　電極結(jié)構(gòu)參數(shù)

2充電電壓對沉積率影響試驗(yàn)

靜電噴霧使霧滴攜帶了電荷，且電荷呈現(xiàn)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(chǎn)生電場。由于植物葉片含水量多，相當(dāng)于導(dǎo)體，當(dāng)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(chǎn)生靜電感應(yīng)現(xiàn)象，使葉表感應(yīng)出與霧滴極性相反的電荷，從而在霧滴和植物葉片之間產(chǎn)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(guān)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(yīng)環(huán)上的充電電壓成正比。因此，本試驗(yàn)主要探究沉積率隨充電電壓的變化規(guī)律。

2.1試驗(yàn)條件

噴霧試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，室內(nèi)溫度20℃。以水作為噴霧試驗(yàn)材料，充電電壓調(diào)節(jié)范圍0～12kV，噴頭噴霧壓力變化范圍在0～4.0MPa。

2.2試驗(yàn)設(shè)備及儀器

試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括噴霧試驗(yàn)臺、靜電噴頭及沉積率測量儀器3部分。其中，噴霧試驗(yàn)臺為WFS-Ⅱ型綜合噴霧試驗(yàn)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(shù)參數(shù)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(yàn)時間/s：設(shè)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(diào)速范圍/r·min-1：0～ 960

集霧槽間距/mm：50±0.5

噴桿架上下調(diào)節(jié)距離/mm：300 ～ 800

工業(yè)黑白數(shù)字?jǐn)z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(fā)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(fā)生器電壓調(diào)節(jié)范圍0～12kV。

測量用具包括鋼尺、水敏紙、掃描儀及計(jì)算機(jī)等。

2.3試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時，通過在噴頭下方懸空放置鋼尺作為導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)噴霧壓力下進(jìn)行噴霧；利用靜電發(fā)生器在0～13kV范圍內(nèi)，以1kV為增量依次改變充電電壓對噴霧進(jìn)行充電，每組充電電壓下進(jìn)行5次噴霧，取平均值。噴霧結(jié)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(jìn)行掃描，再利用分析軟件對掃描圖譜進(jìn)行分析計(jì)算，以得出霧滴在水敏紙雙面的沉積率。

2.4試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出正反面霧滴沉積率隨充電電壓的變化規(guī)律曲線，如圖2所示。正面沉積率隨充電電壓的變化呈現(xiàn)平緩增加趨勢，當(dāng)充電電壓達(dá)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(chǎn)生電場對鋼尺產(chǎn)生靜電感應(yīng)現(xiàn)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(dá)到8kV以后，霧滴沉積率增長趨勢逐漸平緩甚至下降。這是因?yàn)殡S著充電電壓的增大，霧滴攜帶的電荷量趨于飽和狀態(tài)；且繼續(xù)增大電壓，由于極周圍產(chǎn)生的強(qiáng)靜電場，會對電極附近剛剛霧化后的細(xì)小液滴產(chǎn)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(yàn)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(yàn)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(diǎn)圖和趨勢線，探究霧滴總沉積率隨充電電壓變化規(guī)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(fā)生變化(如霧滴表面張力及霧滴粒徑等)，而這些物理性質(zhì)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(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以8 000V對充電電極進(jìn)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(yàn)結(jié)果如表2所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制了目標(biāo)正反面沉積率隨噴霧壓力的變化曲線，如圖3所示。當(dāng)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(wěn)。這是因?yàn)殡S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(xì)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(shù)量，當(dāng)充電電壓不變，感應(yīng)電極所產(chǎn)生的電場強(qiáng)度不變，因此霧膜上感應(yīng)攜帶的電荷量Q不變。此時，增大噴霧壓力，單位時間內(nèi)會有更多液體從噴嘴噴出，雖然霧滴數(shù)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(diǎn)圖繪制規(guī)律線，得出霧滴總沉積率隨噴霧壓力的增大呈現(xiàn)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(yàn)

4.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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

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

圖3　總沉積率隨噴霧壓力變化趨勢

試驗(yàn)水平U/kVP/MPaH/cm160.2040280.25503100.3060

4.2試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)正交試驗(yàn)表安排了9次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4　正交試驗(yàn)結(jié)果表

4.3試驗(yàn)結(jié)果分析

4.3.1極差分析

極差分析結(jié)果計(jì)算表如表5所示。

表5　極差分析計(jì)算表

表5中，K1、K2、K3的3個數(shù)分別表示試驗(yàn)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(yàn)中對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)結(jié)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(yīng)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(jié)論：對靜電噴霧沉積率影響大小的因素排序?yàn)槌潆婋妷骸婌F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(yàn)結(jié)果的方差分析

通過對試驗(yàn)結(jié)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(jié)將通過方差分析檢驗(yàn)各因素下不同水平對試驗(yàn)結(jié)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(jié)果與上節(jié)極差分析結(jié)果一致，說明誤差并沒有影響試驗(yàn)結(jié)果的正確性。

表6　方差分析表

4.4試驗(yàn)驗(yàn)證

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

5結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了圓錐霧型噴頭充電電極，并通過理論分析和計(jì)算得到了最佳的電極結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高了靜電噴霧霧滴荷電效果。

2)通過設(shè)計(jì)靜電噴霧試驗(yàn)系統(tǒng)，對靜電噴頭的噴霧沉積性能進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明：霧滴荷電后，霧滴在目標(biāo)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(dāng)充電電壓增大到3.5kV以后，目標(biāo)背面開始有霧滴沉積；且隨著電壓的增大，目標(biāo)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(biāo)背面的霧滴沉積率的提高無明顯效果；但對目標(biāo)總沉積率的增加效果比較顯著。

5)通過正交試驗(yàn)確定了該靜電噴頭的最佳工作參數(shù)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%。

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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(xiàn)標(biāo)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(dǎo)師，(E-mail)zhang66wei@126.com。

基金項(xiàng)目：“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD06B01)

收稿日期：2015-07-22