静电喷头电极对雾滴沉积效果的影响

廉　琦，张　伟

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆　163319)



静电喷头电极对雾滴沉积效果的影响

廉琦，张伟

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆163319)

摘要：静电喷雾技术可有效提高雾滴在作物表面的沉积率。为此，针对ARAG圆锥雾型喷头设计了一种圆锥形充电电极，实现了对雾滴感应充电的功能。对搭载该充电电极的喷头进行喷雾沉积性能试验，并对喷雾压力、充电电压和喷雾高度3个因素进行了正交试验，通过极差分析、方差分析得出了3种因素对雾滴沉积率的影响显著性由大到小依次是充电电压、喷雾压力、喷雾高度。静电喷雾雾滴的沉积效果的最优组合为：喷雾压力0.3MPa，充电电压10kV，喷雾高度50cm；该组合下的得到的最佳沉积率为60.12%。本研究为大田中的实际喷雾效果的提高提供了理论和数据的支持。

关键词：静电喷雾；圆锥形；雾滴荷电；沉积率

0引言

农药静电喷雾技术是近年来发展起来的一项新的植保施药技术，具有雾滴尺寸均匀、沉积性能好、飘移损失小、雾群分布均匀，尤其是在植物叶片背面也能附着雾滴等优点[1]。20世纪40年代，美国一些大学针对农药粉剂进行了正式的试验研究，结果表明：在静电场作用下的农药药粉，在植物上的附着率显著提高[2]。在欧美，随着农药粉剂使用量的不断减少，静电施药技术研究也转向了液体农药[3]，如美国、英国和加拿大等国都先后对液体农药静电喷雾进行了深入研究，并促使其产业化[4]。这些国家的研究结果表明：静电喷雾的确明显提高了药液在喷洒目标表面特别是目标背面的覆盖率，减少了小雾滴的飘移，喷雾效果明显提高。20世纪80年代末，美国佐治亚大学的S.E.Law等专家首先将静电喷雾技术应用于液体农药的实际喷洒作业中，从而成功地研制了静电喷雾系统[5]。

我国静电喷雾技术的研究始于20世纪70年代末[6]。首先，对手持式静电喷雾器进行了研究，并在多种作物上进行了大量喷洒分布及防治效果实验[7]；但由于这些研究只是在设备和功能上进行研究，并没有对静电喷雾进行更深入的理论性研究，因此实验效果不佳，都没有得到推广应用。随后，江苏理工大学对静电场作用下的液滴雾化展开了较为系统的研究，认为静电作用可以降低液体表面张力，减小雾化阻力，同时同性电荷间的排斥作用产生与表面张力相反的附加内外压力差，从而提高雾化程度[8]。进入到20世纪90年代后，以郑加强为代表的一些学者做了大量的研究，研究方向主要针对荷电过程、作业参数及喷雾效果试验方面的研究[9]，这些研究中所采用的静电喷头的电极结构大致相同[10]；而传统的圆柱形电极应用圆锥雾型喷头时，由于电极内壁与喷雾边缘的距离逐渐减小，很容易在感应环末端造成积液，影响荷电效果[11]。目前，针对其他形式的电极对荷电性能影响情况的研究较少。

为此，本文根据圆锥雾型喷头的喷雾特点，设计了一种管状空心圆锥型的充电电极，通过对搭载该充电电极的喷头进行喷雾性能试验研究，以期解决传统充电电极存在的问题，提高静电喷头的荷电性能，为实际作业过程中提高雾滴的沉积效果提供参考。

1感应充电电极的设计

1.1电极形状的设计

常规的圆柱充电电极环内部的雾型是呈锥形扩散的，所以在充电电极环内部，随着喷雾距离的增加，喷嘴雾化范围随之增大；而圆柱形感应环内径尺寸是固定不变的，会导致雾滴很容易喷到充电电极环内壁上而引起放电，影响雾化效果，且不利于系统安全运行[12]。为了避免随雾化范围扩大后将雾滴喷到电极环内壁，只能增大圆柱型充电电极环的直径；但在感应荷电范围内，充电电极环直径增加，电极环同喷雾圆锥雾型边缘的距离也随之增加，电场对区域内雾滴的充电效果随之下降。

针对以上问题，本研究采用不锈钢材质设计了管式空心圆锥型电极。根据喷头的喷雾角度，将圆锥形电极开口角度设计为80°，以利于在一定距离范围内减小电极与雾型间距提高荷电效果的同时，不会产生随轴向喷雾范围增大而使雾滴喷在电极内壁的现象，有助于提高喷雾荷电效果。

1.2电极高度的设计

电极高度的设计主要取决于雾型充电区域的大小。液体的雾化过程分为雾流、雾膜、雾滴这3个形态过程；而充电电极的充电过程主要作用在雾滴形成前的雾膜区域[12]。处在雾膜状态时，由于液体并没有发生雾化，或即将发生雾化，因此该状态下的雾型也是最稳定的，一旦液体开始雾化，细小雾滴会向雾型四周扩散，因而会影响静电喷雾充电效果。因此，通过高感光工业摄像机对喷头喷雾过程进行拍摄，并对雾膜区域的轴向范围进行测量，得出喷嘴下方轴向距离10mm以内的雾型最为稳定，无雾滴向周围的飘散现象，说明这段距离内喷雾处于雾膜阶段，尚未完全细化成雾滴，因此将充电电极高度设计为10mm。

1.3电极口径的设计

电极口径的设计主要根据电极内壁与雾型边缘的距离来确定。在静电喷雾充电过程中，锥形雾膜与空心锥充电电极相当于构成了一个平行板电容器[13]；雾型与电极内壁间的空气相当于电容器间的绝缘介质，因此雾膜上感应携带的电荷量可以用平行板电容器电荷量来计算，有

Q=C×U

(1)

式中εr—介电常数；

S—雾极正对面积；

K—静电力常量；

d—雾极间距。

由公式(1)可以看出：电荷量Q与电容和电压成正比，电容与电极正对面积成正比，与雾极间距成反比。所以，在电极正对面积一定的情况下，为了提高雾膜携带电荷量，要尽可能地减小雾极间距，即减小电极口径。但是，为了提高系统安全性，避免发生放电现象，电极最小口径要求雾滴不能喷附在电极内壁上，因此通过在喷雾边缘与雾型平行放置水敏纸，在水平方向由远到近平移水敏纸靠近雾型。当水敏纸上接收到雾滴时停止移动，并测得此时水敏纸距离雾型边缘的水平距离，通过测量得出水敏纸与雾型最小的非接触距离为8mm。将感应环小口半径设计为8mm，通过电极角度和电极高度计算得出大口半径为16.5mm，结构如图1所示。

图1　电极结构参数

2充电电压对沉积率影响试验

静电喷雾使雾滴携带了电荷，且电荷呈现出与电极相反的电性，因此在荷电雾滴下落过程中雾滴周围会产生电场。由于植物叶片含水量多，相当于导体，当雾滴下落到叶片周围时，雾滴周围的电场就会对植物叶片产生静电感应现象，使叶表感应出与雾滴极性相反的电荷，从而在雾滴和植物叶片之间产生相互吸引电场力，从而提高雾滴在叶片上的沉积能力[14]。

决定雾滴对叶片吸附能力的关键就是雾滴携带的电荷量的多少。由公式(1)可以看出：电荷量Q与感应环上的充电电压成正比。因此，本试验主要探究沉积率随充电电压的变化规律。

2.1试验条件

喷雾试验在实验室内进行，室内温度20℃。以水作为喷雾试验材料，充电电压调节范围0～12kV，喷头喷雾压力变化范围在0～4.0MPa。

2.2试验设备及仪器

试验系统主要包括喷雾试验台、静电喷头及沉积率测量仪器3部分。其中，喷雾试验台为WFS-Ⅱ型综合喷雾试验台，具有测量喷雾压力、流量、角度、粒径及均匀性等功能。主要技术参数如下：

台架尺寸(长×宽×高)/mm：3 600×2 100×2 200

液体体积测量精度/mL：±2

角度的测量精度/(°)：±1

单次试验时间/s：设定范围30～60，精度： ±1

喷头最大喷量/L·min-1：0～4

液泵最大可测量压力/MPa：0～2.5

液泵最大可测量流量/ L·min-1：0～100

水泵调速范围/r·min-1：0～ 960

集雾槽间距/mm：50±0.5

喷杆架上下调节距离/mm：300 ～ 800

工业黑白数字摄像头/分辨率：640×480 60FPS

定焦镜头焦/mm：8

静电喷头由圆锥雾形喷头、空心圆锥充电电极及高压静电发生器组成。其中，喷头型号为80-015，喷雾角度为80°，喷雾流量为0.15加仑/min，高压静电发生器电压调节范围0～12kV。

测量用具包括钢尺、水敏纸、扫描仪及计算机等。

2.3试验方法

试验时，通过在喷头下方悬空放置钢尺作为导体，在钢尺双面粘贴水敏纸模拟植物叶片正反表面接收荷电雾滴，在0.25MPa的标准喷雾压力下进行喷雾；利用静电发生器在0～13kV范围内，以1kV为增量依次改变充电电压对喷雾进行充电，每组充电电压下进行5次喷雾，取平均值。喷雾结束后，取下钢尺上的水敏纸，利用微型扫描仪对水敏纸正反两面附着的雾滴进行扫描，再利用分析软件对扫描图谱进行分析计算，以得出雾滴在水敏纸双面的沉积率。

2.4试验结果及分析

通过表1的试验数据，得出正反面雾滴沉积率随充电电压的变化规律曲线，如图2所示。正面沉积率随充电电压的变化呈现平缓增加趋势，当充电电压达到3.5kV以后，反面水敏纸开始有液滴沉积，说明此时荷电雾滴产生电场对钢尺产生静电感应现象，影响了钢尺表面的电荷分布情况。因此，雾滴与钢尺表面存在相互吸引的电场力，且该时刻电场力能后克服雾滴下落时受到的自身重力，因而能吸附在钢尺背面的水敏纸上。

表1　不同充电电压下的雾滴沉积率

在充电电压达到8kV以后，雾滴沉积率增长趋势逐渐平缓甚至下降。这是因为随着充电电压的增大，雾滴携带的电荷量趋于饱和状态；且继续增大电压，由于极周围产生的强静电场，会对电极附近刚刚雾化后的细小液滴产生吸引力而影响荷电雾滴的沉积效果。在充电电压为8kV时，得到了本试验最佳雾滴沉积率为正面28.57%，反面8.61%。通过与充电电压为0kV的对照组相比，正面沉积率提高4.51%，反面沉积率提高8.61%。

随后，本试验以正反面沉积率之和代表作物表面雾滴总沉积率，并建立总沉积率随充电电压变化的散点图和趋势线，探究雾滴总沉积率随充电电压变化规律，如图3所示。同时，建立了雾滴沉积率与充电电压的回归方程,R2=0.922 0，说明该方程具有较高可信度。

图2　雾滴总沉积率随充电电压变化曲线

3喷雾压力对沉积率影响探究

喷头喷雾压力的变化能够使雾滴的物理性能发生变化(如雾滴表面张力及雾滴粒径等)，而这些物理性质的变化也会接影响雾滴的荷电效果及在作物上的沉降效果。因此，本文在喷雾沉积试验系统的基础上，以8 000V对充电电极进行充电，通过改变液压泵的工作频率来改变喷头的喷雾压力，再次测量雾滴在水敏纸上的沉积率，来探究雾滴沉积率随喷雾压力的变化情况。

试验结果如表2所示。根据试验结果绘制了目标正反面沉积率随喷雾压力的变化曲线，如图3所示。当喷雾压力增大后，正面水敏纸上的雾滴沉积率增加明显，而背面水敏纸的沉积率在0.3MPa后趋于平稳。这是因为随着喷头喷雾压力的增大，喷头的喷雾流量也随之增大，且雾滴更加细密，因此在正面的水敏纸上的沉积率明显增加；而背面水敏纸上的雾滴沉积，主要取决于荷电雾滴的荷电数量，当充电电压不变，感应电极所产生的电场强度不变，因此雾膜上感应携带的电荷量Q不变。此时，增大喷雾压力，单位时间内会有更多液体从喷嘴喷出，虽然雾滴数量增加，且雾滴粒径变小，但是单个雾滴所携带的电荷量也随之减少，单个雾滴荷电量减少，因此背面沉积效果并没有明显增大。通过对雾滴总沉积率随喷雾压力的变化散点图绘制规律线，得出雾滴总沉积率随喷雾压力的增大呈现线性上升趋势。通过软件对趋势线分析后得出了雾滴总沉积率随喷雾压力变化的线性回归方程，R2=0.973 7，表明该回归方程具有较高的可信度。

表2　不同喷雾压力下的雾滴沉积率

4正交试验

4.1试验设计

针对安排多因素试验、寻求最优水平组合，常见的试验方法是正交试验。它是在试验因素的所有水平中挑选具有代表性的水平进行试验，通过分析试验结果，找到最优的水平组合[15]。本文采用3因素3水平正交试验对喷雾压力、喷雾高度和充电电压进行喷雾沉积率试验分析。

通过单因素试验确定出喷雾压力的试验水平为0.2、0.25、0.3MPa。充电电压的试验水平为6、8、10kV。根据植保喷雾操作要求确定喷雾高度的试验水平为40、50、60cm。本文选用的L9(34)正交试验表，如表3所示。

图3　总沉积率随喷雾压力变化趋势

试验水平U/kVP/MPaH/cm160.2040280.25503100.3060

4.2试验结果

根据正交试验表安排了9次试验，试验结果如表4所示。

表4　正交试验结果表

4.3试验结果分析

4.3.1极差分析

极差分析结果计算表如表5所示。

表5　极差分析计算表

表5中，K1、K2、K3的3个数分别表示试验因素充电电压U、喷雾压力P、喷雾高度H在第1、2、3水平所在试验中对应的标准偏差和；k1、k2、k3的值是各水平的平均值；极差R是在同一列中最大值与最小值的差值，它衡量各个因素的水平改变时对试验结果影响的大小。

从表5中可以看出：3个极差中，因素U的极差最大，说明充电电压改变时对喷雾沉积率的影响最大；其次为喷雾压力；影响最小的是喷雾高度。因素U中的3个水平中对应的沉积率分别为97.22、137.13、151.61，第3个水平最大，所以取第3个水平U3对喷雾沉积效果最好。同理，其他两个因素中，P3和H2对喷雾沉积效果最好。

由此得出结论：对静电喷雾沉积率影响大小的因素排序为充电电压、喷雾压力、喷雾高度，并得出静电喷雾的最好方案为充电电压U为10kV、喷雾压力P=0.3MPa、喷雾高度H=50cm。

4.3.2试验结果的方差分析

通过对试验结果的极差分析，找到了各因素对沉积率影响的主次顺序和各因素水平的最佳组合。本节将通过方差分析检验各因素下不同水平对试验结果的影响是否显著。方差分析表如表6所示。

通过表6可以看出：3个因素对沉积率的影响均显著，且因素的显著程度排序分别为U>P>H。方差分析所得结果与上节极差分析结果一致，说明误差并没有影响试验结果的正确性。

表6　方差分析表

4.4试验验证

通过对正交试验得出的各因素的最佳水平组合，进行了验证试验。以10kV的充电电压、0.3MPa的喷雾压力、50cm的喷雾高度进行了多次试验，得出在该因素水平组合下的平均雾滴沉积率为60.12%。

5结论

1)设计了圆锥雾型喷头充电电极，并通过理论分析和计算得到了最佳的电极结构参数，提高了静电喷雾雾滴荷电效果。

2)通过设计静电喷雾试验系统，对静电喷头的喷雾沉积性能进行了试验，结果表明：雾滴荷电后，雾滴在目标表面的沉积率随充电电压的增大呈先增大、后减小的趋势；在充电电压为8kV时，得到的最佳沉积率为37.18%。与非静电喷雾相比，其沉积率提高了13.12%。

3) 当充电电压增大到3.5kV以后，目标背面开始有雾滴沉积；且随着电压的增大，目标总沉积率明显增加。与非静电体条件相比，沉积率增加效果较为显著。

4)喷头喷雾压力的增加对雾滴荷电量基本没有太大影响，因此对目标背面的雾滴沉积率的提高无明显效果；但对目标总沉积率的增加效果比较显著。

5)通过正交试验确定了该静电喷头的最佳工作参数组合为喷雾压力0.3MPa，充电电压10kV，喷雾高度50cm。此时，最佳沉积率为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

文章编号：1003-188X(2016)06-0188-06

中图分类号：S491

文献标识码：A

作者简介：廉琦(1990-)，男，黑龙江佳木斯人，硕士研究生，(E-mail) qqtt912@yeah.net。通讯作者：张伟(1968-)，男，辽宁大连人，教授，博士生导师，(E-mail)zhang66wei@126.com。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD06B01)

收稿日期：2015-07-22