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静电喷雾的工作原理及分析

2013-08-28李海强

绿色科技 2013年7期
关键词:电场力表面张力电荷

李海强

(河南省通许县练城乡政府,河南 开封 475400)

1 引言

我国是一个农药研制生产与应用的大国,农药原药的生产能力为102万t,农药品种多达260余种,农药制剂年产量已达170万t,为世界第2位。但我国农药应用技术总体较为落后,使用的农药只有少部分能沉积到农作物靶标上,导致70%~78%的农药流到土壤里或飘到环境中去,造成了严重的环境污染问题。

根据有关统计,我国手动植保机械约有30多个品种,植保机械以手动和小型机动为主,防治效率比较低,大部分产品结构简单、价格低廉、技术含量低[1,2]。静电喷雾是近年来发展起来的新技术,相对于其他喷雾形式,具有极大的优越性。故研究静电喷雾原理具有重大意义。

静电喷雾是利用静电技术,在静电喷头与需喷洒农作物之间建立起静电场,药液经静电喷头雾化后形成群体带电雾滴,在静电场力的作用下,微细带电雾滴被电场力吸附到作物叶片的正反面以及隐蔽部位。药液雾滴在目标作物的沉积率高、均匀散布,飘逸散失少。

2 药液雾化过程

液体药剂最常用的雾化方式是液力式雾化,该方式尤其适合于水溶液的雾化喷洒施药。其原理是使液体在一定的压力下通过一个一定形状的小孔,喷出的同时雾化。液力式喷头的雾型如图1所示。

图1 液力式喷头的雾型

在液体雾化过程中,主要存在的雾化阻力有两种:表面张力与粘滞阻力。但液体一直是沿着阻力小的方向进行变化,所以表面张力是最主要的雾化阻力。具有一定压力的液体由喷杆进入喷头内,由于液体通道的截面积变小,使得液流的速度大大增加,在喷头内液体形成了紊流状态,增加了液体的不稳定性。

另外在充电电极的作用之下,液体表面层产生显著的定向排列,液体表面的吸附活度得到增加,从而导致表面张力下降,进一步增加了不稳定性,使得雾化阻力减小,有利于液体破裂。在从喷头喷孔高速喷出的时候,液体在空气撞击力的作用和内外压力差共同作用下,形成细小雾滴,并发散。当细小雾滴被充电之后,雾滴表面的吸附和活度得到了增加,而且由于雾滴表面存在电荷,也就使雾滴表面层分子产生明显的定向排列,从而可使雾滴表面张力进一步得到降低,雾化阻力进一步减小。

同时,雾滴所带电荷存在瑞利极限值,如果雾滴的带电量超过瑞利极限值,雾滴就会克服表面张力而破裂并继续分裂,所以雾滴开始带电后,使得雾滴进一步细化。另外带电雾滴受到的静电场力改变了雾滴的动能,从而改变了雾滴的表面压力差,有利于雾滴的进一步细化,而且由于带相同电荷的雾滴相互排斥,使雾滴的表面又产生一个额外的内外压力差,该作用力与表面张力的作用相反,也有利于雾滴进一步细化。最终静电喷头产生的雾滴更加的细小。

3 雾滴的充电与运动过程

从雾化过程的分析可以得知,静电喷头充电极的作用是增加液体表面吸附的活度,导致表面张力下降,就是说使液体表面层的排列具有显著的定向性,雾化阻力减小,从而产生较小的雾滴,更易于被充电。

由于药液雾滴是导体,继续运动的雾滴得到进一步充电。加之直流静电高压的作用,负离子从充电电极转移到雾滴上,故雾滴带上与充电电极同样的电荷。而且充电电极能够产生足以使周围空气电离的局部强电场,导致电场内的空气就被电离成正离子与负离子,其中负离子被快速通过的雾滴带走,正离子趋向充电电极被中和。通过这个运动过程,雾滴就带上了负电荷,即与充电电极相同的电荷。

跟据静电感应原理,地面上的作物靶标将产生与静电喷头极性相反的电荷,并在两者之间形成很强的静电场。带点雾滴在这个电场中同时受到带电雾滴相互之间产生的电场力F1和静电喷头电极与作物目标之间的电场力F2两个力的作用,而且F2远远大于F1,故对雾滴的运动起主导作用的电场力是F2,正是因该电场力的作用使得带电雾滴朝作物目标做定向的移动。因为带电雾滴表面带有相同的电荷,雾滴的斥力F1使雾滴不致相互碰撞而聚合变大。虽然静电力主导了带电雾滴的运动,但是其他的作用力也是不可忽略的,与其他作用力共同作用,形成带电雾滴的最终大小和运动轨迹。带电雾滴受电场力的情况如图2所示。

图2 带电雾滴受电场力作用

理论上说,带电雾滴的电荷为负,而静电喷头的感应作用使农作物表面产生正电荷,这些正电荷的吸引力很强,可以把带负电荷雾滴强拉到农作物表面。但实际上,受重力的影响,加上带电雾滴离开静电喷嘴时受速度惯性的影响比较大,故雾滴的运动路线不会和电力线完全重合。雾滴刚离开喷嘴时,基本上保持了速度惯性的方向,但随后沿着重力与电场力的合力方向。也就是说,在喷嘴和农作物间的静电场作用下,使其在植物茎叶之间环卷缭绕,由于雾滴具有了一定的方向性,能够附着于农作物叶的正面和背面以及隐蔽部位。总的来说,利用静电场的作用力实现了雾滴在农作物冠内的分散沉积,可以大大增加农药药液对农作物叶面(无论冠内或冠表)和茎藤的均匀度以及覆盖率。

4 结语

通过对静电喷雾的工作原理进行理论分析可知:加压农药药液由喷杆进入静电喷头之后,由于液体通道的截面积变小,使压力头变成速度头,流速大大增高,加上在充电电极的作用之下,增加了药液表面的吸附活度,从而使得雾滴表面张力下降,更加容易分散破裂。药液受从静电喷头的喷孔高速喷出时,先是在内外压力差和空气撞击力的作用下,破裂细化成小雾滴。在经过充电电极充电之后,雾滴带上与电极相同的电荷,受瑞利极限的影响和雾滴电荷间的排斥作用,雾滴继续分裂进一步细化。因为静电喷头和农作物间的静电场作用,细小的带电雾滴具有一定的方向性,向农作物茎叶的正反面运行沉积。结论为静电喷头的研制提供了参考,具有一定的实践意义。

[1]刘淑萍,刘娟娟.高压静电喷雾技术在药物微囊制备中的应用进展[J].化工技术与开发,2013(1):21~23.

[2]徐清华,王正艳.静电喷雾器的技术特点及使用注意事项[J].农业装备技术,2012(5):18.

[3]王保华.组合充电液力式静电喷雾装置设计与试验研究[D].郑州:河南农业大学,2005.

[4]李春杰.静电喷雾装置改装设计与试验研究[D].郑州:河南农业大学,2006.

[5]周 文.静电喷雾器的研究与应用[J].农业工程,2012(5):22~26.

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