風速、噴霧壓力和靜電電壓對霧滴沉積性的影響

陳志剛， 于成程， 杜彥生， 魏新華， 張 奇

(1.江蘇大學環(huán)境與安全工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212013； 2.江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；3.江蘇大學農(nóng)業(yè)裝備工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

眾所周知，我國農(nóng)藥生產(chǎn)技術處于國際先進水平，而我國的農(nóng)藥使用技術卻嚴重落后，落后于發(fā)達的歐美國家30～50年，采用現(xiàn)有植保機具和施藥技術，農(nóng)藥的有效利用效率最好的也不足30%，施藥過程中飄移、流失的農(nóng)藥是一種污染源，會造成環(huán)境污染和人畜中毒，已嚴重影響了農(nóng)作物病蟲草害的防治[1]。

在國內外研究人員不斷探索下，靜電噴霧施藥技術是近年來發(fā)展起來的一種較為公認的高效施藥技術，具有霧滴目標指向型運動好、霧滴沉積均勻性高、飄移損失小等優(yōu)點，不僅節(jié)約了水和農(nóng)藥，還減少了環(huán)境污染[2-4]。外部環(huán)境風速、噴霧壓力和靜電電壓對靜電噴霧的效果都有很大影響。周宏平等認為，當靜電電壓升高時，霧滴粒徑隨電壓增加而減小，霧滴沉降分布狀態(tài)得到顯著改善[5-7]；賈衛(wèi)東等研究得出，靜電作用下隨著噴霧壓力的增大，霧滴的沉積分布均勻性反而會降低[8-9]；何雄奎等通過試驗表明，隨著恒風風速和靜電電壓的增加，霧滴的飄移中心距離和飄失率增大[10-12]。綜合分析前人的研究成果，大多數(shù)都只是研究單一或某幾個因素對沉積效果的影響，而關于風速、噴霧壓力以及荷電電壓對霧滴的沉積效果的綜合影響沒有進行全面的研究。

本研究針對上述情況，搭建了1套用于研究靜電噴霧沉積效果的試驗裝置，開展不同風速、噴霧壓力和靜電電壓多因素影響條件下的沉積性能研究，以期為噴霧技術參數(shù)優(yōu)化選配和提高霧滴沉積效果提供依據(jù)。

1 試驗裝置

本試驗在江蘇大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術教育部重點實驗室進行，測試時環(huán)境溫度為(20±1) ℃，相對濕度為70%。搭建的靜電噴霧系統(tǒng)用于荷電霧滴沉積性試驗(圖1)。

該系統(tǒng)主要由水箱、微型隔膜泵、調壓閥、壓力表、靜電噴頭、風機、直流高壓測量儀、高壓靜電發(fā)生器組成。高壓靜電發(fā)生器輸出端正極為荷電裝置供電，直流高壓測量儀與高壓靜電發(fā)生器輸出端相連，測量其輸出的高壓，高壓靜電發(fā)生器輸出端負極接地。微型直流隔膜泵選擇普蘭迪PLD-1205(量程為0～0.6 MPa)；調壓閥選擇亞德客AR-2000(調節(jié)范圍為0～1 MPa)；壓力表選擇上海江云儀表廠生產(chǎn)的壓力表(量程為0～0.6 MPa)；噴頭選擇Lechler TR80-02型標準圓錐霧噴頭(霧錐角為80°)；風機選擇SF-4型軸流風機(調節(jié)范圍為0.1～3 m/s)；直流高壓測量儀量程為0～40 kV；高壓靜電發(fā)生器選擇GF-2A型(調節(jié)范圍為0～40 kV)；靜電罩電極用黃銅制成仿形，絕緣層厚度為2.5 mm，電極寬度和中心到噴口的軸向距離分別是6 mm和8 mm(圖2)。

2 試驗方法

2.1 試驗設計

霧滴在沉積過程中主要受自身質量、曳力和電場力的影響[12-13]，其中電場力的大小主要取決于霧滴的荷電量。靜電噴頭產(chǎn)生的霧滴荷電效果的重要參數(shù)是荷質比[14-15](電荷量與霧滴質量m之間的比值)，單位為mC/kg。而靜電噴霧中靜電電壓的大小又是影響霧滴荷電量的主要因素，所以本研究還進行了不同靜電電壓下霧滴荷質比和粒徑體積中徑的測定。

為研究不同風速、噴霧壓力和靜電電壓對霧滴沉積效果的影響，設計了7個靜電電壓水平(0、1、2、3、4、5、6 kV)、4種風速(0、1、2、3 m/s)和5種噴霧壓力(0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 MPa)，分別進行單因素試驗，找到各因素與霧滴沉積效果的關系。

2.2 試驗步驟

2.2.1 荷質比和霧滴粒徑測量試驗 荷質比測量試驗如圖3-a所示，該系統(tǒng)結合網(wǎng)狀目標法和法拉第筒法。將噴頭固定在三角架上與法拉第筒保持0.5 m距離，使噴霧軸線垂直于截流網(wǎng)中心，連接噴霧管路，調節(jié)Keithley皮安表，并設置Excel Links軟件；打開并調節(jié)高壓靜電發(fā)生器，觀察直流高壓測量儀是否到達指定電壓；點擊Excel Links軟件開始按鈕，采集霧滴放電電流值，保持20 s后關閉軟件和噴霧系統(tǒng)；用精密天平對該時間段收集的液體進行稱質量，依據(jù)放電電流值與液體質量算得霧滴的荷質比；每組重復試驗3次取平均值后改變工況，繼續(xù)試驗。

如圖3-b所示，本試驗采用Winner 318噴霧激光粒度分析儀(濟南維納顆粒儀器股份有限公司，粒徑測量范圍為 1～711 μm)對靜電噴頭進行霧滴粒徑測定，并計算霧滴粒徑體積中徑D0.5(volune median diameter，簡稱VMDav)[8]。噴頭位置為激光粒度分析儀發(fā)射與接收端中間位置的正上方 50 cm 處。測定選取噴霧壓力0.3 MPa，靜電電壓0、1、2、3、4、5、6 kV，每組重復3次。

2.2.2 荷電霧滴沉積性試驗 將靜電噴霧系統(tǒng)(圖1)的噴頭固定在試驗架上，靶標由水敏卡代替植物葉片，噴頭下方0.5 m處懸空固定好一把鋼尺作為導體，將水敏卡貼在鋼尺正反兩面來接收荷電霧滴，按試驗設計環(huán)節(jié)的工況每組重復試驗3次， 取平均值。噴霧結束以后，取下水敏卡，用掃描儀掃描水敏卡上沉積的霧滴，再利用軟件對掃描儀掃出的圖像進行分析計算，如圖4所示，可以得出霧滴在水敏卡正反面的沉積率。

收集每組工況下3次試驗的水敏紙卡，對其作變異系數(shù)(CV)分析，來觀察霧滴沉積的均勻性，變異系數(shù)計算公式為

(1)

(2)

3 結果與分析

3.1 靜電電壓對霧滴荷質比及沉積性的影響

試驗設定風速為0 m/s、噴霧壓力為0.3 MPa，由表1可知，荷質比隨著靜電電壓的增加而逐漸增大，在3～4 kV處增幅最大，之后趨于平緩，到6 kV時達到最大值 0.128 mC/kg；霧滴粒徑隨靜電電壓增大而變小，在6 kV時達到最小值137.79 μm。隨著電壓升高霧滴沉積的變異系數(shù)在逐漸減小，從16.58%下降到7.40%。試驗表明，電壓升高使靜電噴霧的均勻性有明顯提高。

霧滴在水敏卡正面的沉積率隨靜電電壓的升高而增大，在3 kV之后，水敏卡背面開始有霧滴沉積。說明此時荷電霧滴產(chǎn)生電場對鋼尺產(chǎn)生靜電感應現(xiàn)象。在充電電壓為6 kV時，正反面的沉積率分別達到最大值37.86%和7.15%。總沉積率相對于0 kV時的28.13%提高了16.88百分點。這是因為靜電電壓會使霧滴攜帶電荷，且電荷呈現(xiàn)與電極相反的電性， 在荷電霧滴下落過程中霧滴周圍會產(chǎn)生電場。植物葉片含水量較多，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(chǎn)生靜電感應現(xiàn)象，使葉表感應出與霧滴極性相反的電荷，從而在霧滴和植物之間產(chǎn)生相互吸引電場力，提高霧滴在葉片上的沉積能力[16]。

表1 靜電電壓對霧滴荷質比和沉積性影響

3.2 噴霧壓力對霧滴沉積性的影響

在風速為0 m/s的工況下，選取0、2、4、6 kV 4種不同靜電電壓做對照試驗，來獲取不同噴霧壓力對霧滴沉積率的影響規(guī)律。如圖5-a所示，霧滴在水敏卡正面的沉積率隨噴霧壓力的增大而增大，在噴霧壓力為0.4 MPa、靜電電壓為6 kV時到達最大值40.17%。

圖5-b反映在4、6 kV靜電電壓、0 m/s的環(huán)境風速下水敏卡背面沉積情況。霧滴的沉積率隨噴霧壓力增大而增大，在0.3 MPa以后增大幅度趨于平緩。主要是因為隨噴霧壓力增大，噴出的霧滴流量增大，粒徑減小，而背面的霧滴沉積主要與霧滴所帶電荷數(shù)量有關。當充電電壓不變，單位時間內噴頭噴出的霧滴數(shù)量增多時，由于單個霧滴粒徑變小，每個霧滴所帶的電量也就減少，因此背面的沉積率并沒有明顯增大。

圖5-c反映在風速為0 m/s的條件下，不同噴霧壓力對霧滴沉積均勻性的影響。0 kV時，隨噴霧壓力變大，變異系數(shù)逐漸變小，霧滴沉積得更均勻；而當電壓為2、4、6 kV時，變異系數(shù)逐漸變大，霧滴沉積的越來越不均勻，原因在于霧滴荷質比與噴霧壓力呈負相關關系，噴霧壓力增大，荷質比降低，霧滴定向運動至靶標的能力降低。

3.3 環(huán)境風速對霧滴沉積性的影響

在噴霧壓力為0.3 MPa的工況下，選取0、2、4、6 kV靜電電壓做對照試驗，得到不同風速下沉積率的變化規(guī)律。由圖 6-a 可知，霧滴在水敏卡正面的沉積率隨風速的增加而減小，4種靜電電壓下水敏卡正面的沉積率在風速為3 m/s時與風速為0 m/s時相比分別減少了12.87%、10.2%、7.53%、7.67%。當風速達到3 m/s、充電電壓為0 kV時，沉積率達到最小值15.26%。

因為靜電電壓在4 kV以下時，霧滴在水敏卡背面沉積率可忽略不計，所以圖6-b反映了在0.3 MPa噴霧壓力和4、6 kV 靜電電壓下水敏卡背面的沉積率規(guī)律。當風速變大時，部分荷電霧滴被風吹走，不能夠沉積在有效的靶標上，沉積率隨風速的增大而減小。

由表2可知，在噴霧壓力為0.3 MPa、靜電電壓為6 kV時，霧滴在水敏卡上沉積率的變異系數(shù)隨著風速的增加而變大，從7.40%增長到17.98%，表明風速對霧滴沉積的均勻性有顯著影響。

表2 不同風速下霧滴沉積變異系數(shù)

3.4 正交試驗

完成風速、噴霧壓力和靜電電壓對霧滴沉積的單因素影響試驗后，安排多因素試驗，優(yōu)化參數(shù)選配，尋求最優(yōu)水平組合。常見的試驗方法是正交試驗，它是在試驗因素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(yōu)的水平組合。本研究采用3因素3水平正交試驗對風速、噴霧壓力和靜電電壓進行霧滴沉積率試驗分析，選取 L9(34) 正交試驗表，試驗因素如表3所示。

表3 正交試驗因素水平

根據(jù)正交試驗表安排了9次試驗，試驗結果見表4。對試驗結果進行極差分析，可以找到各因素對沉積率影響的主次順序和各因素的最佳組合。如表5所示，k1、k2、k3分別表示各水平的平均值；極差R是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對試驗結果影響的大小。各因素對霧滴沉積率影響由大到小的順序依次是靜電電壓、噴霧壓力、風速，同時可以得出噴霧的最好方案是靜電電壓為 6 kV、噴霧壓力為0.4 MPa、風速為0 m/s。

表4 正交試驗結果

表5 極差分析計算

通過方差分析檢驗各因素下不同水平對試驗結果影響是否顯著，如表6所示。結果表明，靜電電壓U因素的P值小于0.01，噴霧壓力P值和風速v的P值小于0.05，說明3個因素對霧滴沉積率的影響均顯著，與極差分析結果一致，說明誤差沒有影響試驗正確性。通過對得出的最佳水平組合進行多次試驗，得出該因素水平組合下霧滴沉積率平均值為48.01%。

表6 方差分析

注：F0.1(2，2)=9.0，F(xiàn)0.05(2，2)=19.0，F(xiàn)0.01(2，2)=99.0。

4 結論

(1)荷質比隨靜電電壓的升高而增大，4 kV以后逐漸趨于平緩，在6 kV時荷質比達到最大值0.128 mC/kg，霧滴粒徑達到最小值137.79 μm。霧滴的沉積率隨電壓增大而增大，變異系數(shù)隨電壓增大而減小。(2)霧滴沉積率隨噴霧壓力的增大而增大，靜電電壓達到4 kV時，靶標背面開始有霧滴沉積；噴霧壓力變大，靶標正面的沉積率越高，靶標背面的沉積率先增大后趨于穩(wěn)定；當靜電電壓為0 kV時，變異系數(shù)隨噴霧壓力增大而減小，有靜電作用下變異系數(shù)隨噴霧壓力增大而增大，霧滴沉積均勻性變差。(3)環(huán)境風速越大，霧滴的沉積率越小，變異系數(shù)越大，霧滴沉積的均勻性越差。噴霧壓力0.3 MPa不變，當風速為3 m/s、靜電電壓為0 kV時，霧滴沉積率達到最小值15.26%；當靜電電壓為6 kV、噴霧壓力為0.3 MPa不變，風速達到3 m/s時霧滴沉積的變異系數(shù)達到最大值17.98%。(4)正交試驗得出，風速、噴霧壓力和靜電電壓均對霧滴沉積率有顯著影響，影響的主次順序為靜電電壓、噴霧壓力、風速。本系統(tǒng)噴霧的最佳水平組合是靜電電壓為6 kV、噴霧壓力為0.4 MPa、風速為0 m/s，此時沉積率為48.01%。