宋 琦，李 林，吳 姝，魏新華

(江蘇大學 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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感應式高壓靜電噴頭霧滴荷電效果影響因素分析

宋 琦，李 林，吳 姝，魏新華

(江蘇大學 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

為研究如何在有限的充電電壓下獲得良好的霧滴荷電效果，首先建立了霧滴荷電過程的等效模型，對影響霧滴荷電效果的關鍵性參數(shù)進行理論推導；然后采取圓環(huán)形和仿形兩種電極形式，取3個高壓電極的關鍵性技術參數(shù)，設計4種不同的高壓電極方案；最后配合2、2.5mm兩種不同的絕緣層厚度，為霧錐角為80°的空心圓錐霧噴頭TR 80-04設計了8種不同的高壓靜電罩，用網(wǎng)狀目標法與法拉第筒法結合的荷質(zhì)比測量系統(tǒng)對其荷電比進行測量，以荷質(zhì)比評價其荷電效果的優(yōu)劣。結果證明：理論分析與試驗研究達到了良好的一致性，仿形電極的荷電效果明顯優(yōu)于圓環(huán)形電極，且電極寬度、電極中心到噴口的軸向距離與霧滴荷質(zhì)比正相關，為高壓靜電罩的合理設計提供了可靠的理論和試驗依據(jù)。

高壓靜電噴頭；霧滴荷電效果；絕緣層；荷質(zhì)比

0 引言

靜電噴霧技術[1-2]具有霧滴目標指向性好、霧滴沉積均勻性高及飄移損失小等優(yōu)點，節(jié)約了水和農(nóng)藥，減少了環(huán)境污染，近年來獲得了迅速發(fā)展[3-11]。霧滴在實際荷電過程中，其荷電方式有3種，即接觸充電、感應充電及電暈充電。就荷電效果而言，接觸充電充電最充分、效果最佳，感應充電次之。但接觸充電需要很高的充電電壓，在實際運行中不安全；而感應充電所需的充電電壓較低，相對比較安全[11-17]。

如何在有限的充電電壓下獲得良好的霧滴荷電效果，一直是國內(nèi)外學者的研究重點。崔海蓉等研究發(fā)現(xiàn)：對于圓環(huán)形電極，霧滴荷電量隨充電電壓的提高而增大，隨電極環(huán)直徑的增大而減小，隨電極安裝位置沿噴射方向的前移而增大[18]。高良潤和劉保垣等研究發(fā)現(xiàn)：如果霧滴沉積在裸露電極上，則當充電電壓增高到一定數(shù)值時，就會產(chǎn)生電暈現(xiàn)象，霧滴荷電效果反而會減弱[19-20]。張玲等采用帶有高壓絕緣外套的仿形電極設計了一種靜電感應噴頭，獲得了良好的霧滴荷電效果[21]。Jae-Duk Moon等設計了一種圓環(huán)形感應式靜電噴頭，對影響其荷質(zhì)比的參數(shù)做了一個較為全面的研究，獲得了該噴頭的最佳結構參數(shù)。但以上研究仍未完全揭示充電電壓、電極結構，以及電極位置和絕緣層厚度等參數(shù)對霧滴荷電效果的綜合影響規(guī)律[22]。

針對常用的80°空心圓錐霧噴頭TR 80-04，分別采用圓環(huán)形和仿形紫銅電極，設計了不同電極寬度、電極位置和絕緣層厚度的多種靜電感應罩，并對以上因素對霧滴荷電效果的影響規(guī)律進行了理論分析和試驗研究，以期為靜電感應罩的優(yōu)化設計提供依據(jù)。

1 霧滴荷電效果理論分析

如圖1所示：感應充電過程中，藥液流在水壓作用下從噴口射出，在噴口附近形成圓錐狀水膜，與空氣撞擊破裂形成霧滴并在運動中進一步破裂變細[23]。中心半徑為R2的仿形電極、半徑固定為Ry的圓環(huán)形電極安裝于噴口前L處，圓錐狀水膜在電極中心處的半徑為R1。據(jù)靜電感應原理可知：高壓電極在錐狀水膜處感應出大量與之極性相反的靜電荷，在錐狀水膜前方的液膜破裂后，霧滴便攜帶有與充電電壓極性相反的電荷，實現(xiàn)了對霧滴的荷電。

沿噴霧軸向取單位厚度dl的電極和水膜層，電極、水膜及兩者之間空氣層和電極絕緣層可簡化為同軸圓柱電極組成的混合介質(zhì)電容器，應用高斯定理，并積分，求得其電容值為

(1)

式中 ε—空氣層及電極絕緣層混合介質(zhì)的等效介電常數(shù)；

r1—水膜半徑；

r2—電極半徑。

圖1 電極位置示意圖

在電容器的兩極板上所攜帶的電荷量為

(2)

式中 U—充電電壓。

可見，極板電荷量Q與充電電壓U和極板間混合介質(zhì)的等效介電常數(shù)ε密切相關，U和ε越大，Q也越大。當混合介質(zhì)和充電電壓一定時，極板荷電量只與電容器結構尺寸r1和r2有關。當r2/δ?1時，對式(2)有[8]

(3)

顯然，δ越小，Q越大，但藥液在噴灑過程中容易發(fā)生濺射；δ過小，濺射霧滴則易于在高壓電極感應面上沉積，產(chǎn)生電暈現(xiàn)象，因而δ也不易過小。令電極與水膜之間的間距δ=r2-r1且δ=λ+μ，極板間混合介質(zhì)的等效介電常數(shù)ε為

(4)

式中δ—電極與水膜之間的間距；

λ—絕緣層厚度；

μ—空氣層厚度；

εr—絕緣層相對介電常數(shù)；

ε0—真空介電常數(shù)。

可見，若電極與水膜之間的間距δ一定，ε隨著電極絕緣層厚度的變化而變化，因而可以通過改變充電電壓或電極絕緣層厚度來改變極板荷電量。將(3)式代入(4)式可得

(5)

當電極形式確定為仿形電極時，將δ優(yōu)化為固定值，若λ=λ0一定，μ=μ0隨之確定。對式(5)而言，r2為變量，因噴霧霧錐角為80°，因而通過幾何分析得

r2=l×tan40°+λ0+μ0≈0.839l+λ0+μ0

(6)

式中 l—電極安裝位置距噴口的距離。

將式(6)代入式(5)，對式(5)積分，可得極板總荷電量為

(7)

式中 l1—電極到噴口的最小軸向距離；

l2—電極到噴口的最大軸向距離。

令β=l2-l1、L=(l1+l2)/2，則對式(7)積分得

(8)

式中 β—沿噴口軸向的電極寬度；

L—電極中心到噴口的軸向距離。

由式(8)可知：極板總荷電量Q隨著電極中心到噴口的軸向距離L和電極寬度β的增大而增大，因而增加電極寬度可以提高極板總荷電量，增加電極中心到噴口的軸向距離也可以提高極板總荷電量。

當電極形式確定為圓環(huán)形電極時，可近似認為其r2值不變，值為

r2=0.839ly+λ0+μ0

(9)

式中 ly—圓環(huán)形電極電極最外側到噴口的軸向距離。

對式(5)而言，λ為變量，圓環(huán)形電極空氣層厚度與仿形電極一致μ=μ0，因而有

λ=r2-l×tan40°-μ0≈0.839(ly-l)+λ0

(10)

將式(9)、式(10)代入式(5)，對式(5)積分，可得極板總荷電量為

=2π(0.839ly+λ0+μ0)Uεrε0·

(12)

由式(12)可知：對于仿形電極的結論同樣適用于圓環(huán)形電極。

用式(7)減去式(12)可得

(13)

式中Qc—仿形電極與圓環(huán)形電極荷電量之差。

由式(13)可知：當仿形電極與圓環(huán)形電極最外側半徑相同時，仿形電極荷電效果明顯優(yōu)于圓環(huán)形電極。

通過以上分析可知，電極絕緣層厚度、電極形式、電極寬度和電極中心到噴口的軸向距離是影響霧滴荷電效果的關鍵性結構因素。

2 試驗

2.1 試驗用靜電罩

本文旨在為霧錐角為80°的圓錐霧噴頭TR 80-04設計靜電罩，使其噴霧液滴荷電且荷質(zhì)比盡可能高，以提高葉片表面霧滴沉積率、噴灑均勻性和藥液利用率。基于以上設計思想，本文選取0.2mm的紫銅作電極材料，選擇電極形式、電極寬度和電極位置作為3個變量對荷電霧滴荷質(zhì)比進行研究。其中，電極形式分為圓環(huán)形和仿形兩種形式，電極寬度(噴口軸向)分為2mm和6mm兩種形式，電極中心到噴口的軸向距離分為4mm和8mm兩種形式。

藥液在噴灑過程中容易發(fā)生濺射，濺射霧滴在高壓電極感應面上沉積，逐漸在感應面上形成錐形液滴，并發(fā)射出和電極極性相同、霧流電荷極性相反的微小霧滴，且電壓越高，該微小霧滴越多。當電壓增高到一定數(shù)值時，就產(chǎn)生了電暈現(xiàn)象，減弱了感應充電霧滴的荷電效果。因而，在靜電罩設計過程中，本文采用了嵌套安裝設計方案，其爆炸安裝圖如圖2所示。

圖2 靜電罩爆炸安裝圖

此設計不僅增強了絕緣效果，且對電極位置起了固定的作用；但電極定位裝置的厚度直接影響等效電容器的ε值，對靜電效果也有著至關重要的影響[19,22]，因而選擇了2、2.5mm兩種不同的絕緣層厚度來觀察其對靜電效果的影響。

本文根據(jù)靜電罩電極設計選擇的3個變量，設計了4種不同的高壓靜電電極方案；再根據(jù)絕緣層厚度這一變量，共設計了8種不同的高壓靜電罩方案。

4種高壓電極方案中，含有3種仿形電極方案和1種圓環(huán)形電極方案，仿形電極三維圖如圖3所示。

圖3 仿形電極三維圖

對于4種高壓電極方案，有3個關鍵性的技術指標，分別為電極形式a、電極寬度β(噴嘴軸向)及電極中心到噴口的軸向距離L。4個方案關鍵參數(shù)如表1所示。

表1 4個方案關鍵參數(shù)

1號與3號對比，可觀察電極寬度這一技術指標對靜電效果的影響；2號與3號對比，可觀察電極中心到噴口的軸向距離這一技術指標對靜電效果的影響；3號與4號對比，可觀察電極形式這一技術指標對靜電效果的影響。

以上3個技術指標再加上2mm和2.5mm兩種不同的絕緣層厚度，共8種不同的靜電罩方案，可對高壓靜電電極的影響因素做一個較為全面的試驗研究。

2.2 試驗設置及步驟

本試驗使用如圖4所示的荷質(zhì)比測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用將網(wǎng)狀目標法與法拉第筒法相結合的方式。

其中，高壓靜電發(fā)生器與荷電裝置高壓線連接，為其提供高壓；直流高壓測量儀與高壓靜電發(fā)生器輸出端相連，測量其輸出高壓；精密皮安表與法拉第筒金屬外殼連接，測量法拉第筒收集到的荷電霧滴產(chǎn)生的電流信號I，由ExcelLinks軟件制作數(shù)據(jù)表格；液化霧滴由底部燒杯收集，并利用精密天平對收集到的液體稱重。

具體試驗操作步驟如下：

1)將噴頭固定于法拉第筒內(nèi)截流網(wǎng)前20cm處，且使其噴霧軸線垂直于截流網(wǎng)中心，連接噴霧管路，調(diào)節(jié)精密微安表，并設置Excellinks軟件的相關參數(shù)。

2)調(diào)節(jié)高壓靜電發(fā)生器，并觀察直流高壓測量儀，將高壓靜電電壓先后調(diào)整到0、1、2、3、4、、5kV；將噴霧壓力先后調(diào)節(jié)到0.2MPa和0.3MPa，并開始噴霧。

3)在每種電壓-壓力工況下，點擊Excellinks軟件開始按鈕，采集霧滴放電電流值。20s后關閉噴霧系統(tǒng)，并點擊Excellinks軟件結束按鈕。

4)用精密天平對該時間段收集的液體進行稱重，依據(jù)放電電流值與液體質(zhì)量算得霧滴的荷質(zhì)比。

5)改變電壓-壓力工況，繼續(xù)試驗。

1.計算機 2.Keithley 6485皮安表 3.Chroma HV METER 900B直流高壓測量儀

2.3 試驗結果分析

在試驗環(huán)境溫度(20±1)℃、相對濕度70%的條件下，對8種不同的靜電罩方案進行試驗研究，水壓設定范圍為0.2、0.3MPa，高壓靜電電壓設定范圍為0～5kV。對試驗數(shù)據(jù)進行處理，將得到的試驗結果分為高壓電極技術參數(shù)和絕緣層厚度兩大塊進行對比分析。

2.3.1 高壓電極技術參數(shù)

本試驗選用的高壓電極技術參數(shù)包括電極形式、電極寬度(噴嘴軸向)和電極中心到噴口的軸向距離。將絕緣層厚度為2.5mm的4種方案的試驗結果進行統(tǒng)計，如表2所示。

表2 0.3、0.2MPa絕緣層厚度2.5mm的荷質(zhì)比

Table 2 The charge-mass ratio of insulation layer thickness of 2.5mm at 0.3MPa and 0.2MPa

壓力/MPa高壓靜電電壓/kV荷質(zhì)比/mc·kg-11號(大寬仿形)2.5mm2號(小細仿形)2.5mm3號(大細仿形)2.5mm4號(大細圓形)2.5mm0.3MPa02.664E-031.152E-035.063E-032.969E-0312.906E-023.841E-025.772E-037.632E-0321.965E-023.370E-029.990E-039.819E-0335.440E-025.658E-022.918E-024.761E-0241.159E-014.542E-021.009E-015.159E-0253.522E-011.425E-021.418E-011.594E-010.2MPa01.764E-024.920E-022.720E-021.352E-0213.471E-025.295E-028.161E-034.327E-0222.498E-025.005E-027.291E-023.809E-0231.149E-025.227E-026.305E-029.393E-0341.171E-015.681E-021.843E-012.773E-0253.952E-012.601E-021.998E-014.756E-02

將4種方案的荷電效果進行對比，對比結果如圖5、圖6所示。

圖5 在0.3MPa絕緣層厚度2.5mm的荷質(zhì)比

圖6 在0.2MPa絕緣層厚度2.5mm的荷質(zhì)比

由圖5、圖6可知：4種高壓電極方案中除了2號方案基本無荷電效果外，1號、3號、4號方案在水壓0.2MPa或0.3MPa下，霧滴荷質(zhì)比均隨電壓的增大而增大。在高壓電壓在0～3kV范圍內(nèi)變化時，荷質(zhì)比隨電壓增大的幅度較小；當高壓電壓調(diào)至4、5kV時，電壓的增大對霧滴荷質(zhì)比的影響十分明顯，霧滴荷電量大幅度提高。

由圖5、圖6可知：1號方案荷電效果明顯優(yōu)于3號方案，且在電壓5kV時荷質(zhì)比高出3號方案1倍多，為增寬電極寬度(噴嘴軸向)有利于提高荷電效果這一理論結果提供了試驗依據(jù)。2號方案基本無荷電效果，而3號方案符合荷質(zhì)比隨電壓增大的趨勢，且在電壓5kV處達到0.15～0.2mc/kg，3號方案荷電效果明顯優(yōu)于2號方案，為霧滴荷電效果與電極中心到噴口的軸向距離正相關這一理論結果提供了試驗依據(jù)；但距噴嘴處較遠時，噴霧發(fā)散及飛濺現(xiàn)象較為嚴重且電極過大，反而不利于霧滴荷電效果的提高，因而電極中心到噴口的最佳軸向距離有待于進一步的試驗研究。3號方案與4號方案荷質(zhì)比均隨電壓增大而增大，且兩個方案的荷質(zhì)比折線圖部分交叉；但總體來看，3號方案荷電效果略微優(yōu)于4號方案，因而通過試驗研究得到了仿形電極荷電效果優(yōu)于圓環(huán)形電極這一結論。

2.3.2 電極定位裝置厚度

取荷電效果較為明顯的1號，將其在絕緣層厚度分別為2mm(5號)、2.5mm(1號)下的荷電效果進行統(tǒng)計，如表3所示。

將其荷電效果進行對比，圖7為其在水壓0.3MPa下荷質(zhì)比的對比圖，圖8為其在水壓0.2MPa下荷質(zhì)比的對比圖。

表3 1號在0.3、0.2MPa下不同絕緣層厚度的荷質(zhì)比

Table 3 The charge-mass ratio of one of different thickness of insulating layer at 0.3MPa and 0.2MPa

壓力/MPa高壓靜電電壓/kV荷質(zhì)比/mc·kg-11號(大寬仿形)2.5mm5號(大寬仿形)2mm0.3MPa02.664E-032.213E-0312.906E-023.234E-0221.965E-021.960E-0235.440E-024.510E-0241.159E-019.478E-0253.522E-010.2MPa01.764E-025.366E-0213.471E-025.977E-0222.498E-021.111E-0231.149E-026.274E-0241.171E-0153.952E-01

對圖7、圖8分析可知：絕緣層厚度分別為2.5、2mm的1號、5號的荷質(zhì)比均隨電壓增大而增大，但當電壓提升到4kV時，在0.2MPa水壓下，5號所加高壓無法穩(wěn)定；當電壓提升到5kV時，在0.2、0.3MPa下，5號所加高壓均無法穩(wěn)定。在電壓可調(diào)范圍內(nèi)，1號與5號霧滴荷質(zhì)比差別并不明顯。對其它方案在不同絕緣層厚度下的荷質(zhì)比大小進行對比分析，也得出了相同的結論。

本試驗絕緣層厚度的差別并不大，因而有待進一步提高絕緣層厚度差，對該因素進行進一步的試驗研究。

圖7 0.3MPa水壓下1號、5號的荷質(zhì)比

圖8 0.2MPa水壓下1號、5號的荷質(zhì)比

3 結論

1)高壓電極的電極形狀、電極寬度和電極中心到噴口的軸向位置對霧滴荷質(zhì)比的大小有著顯著的影響。仿形電極的荷電效果明顯優(yōu)于圓環(huán)形電極，電極寬度、電極中心到噴口的軸向距離與霧滴荷質(zhì)比正相關。

2)絕緣層厚度分別為2、2.5mm時對霧滴荷質(zhì)比大小的影響十分微小，下一步工作將進一步提高厚度差并對其進行試驗研究。

3)在高壓電極的3個技術參數(shù)中，對霧滴荷質(zhì)比的影響最為顯著的技術參數(shù)是電極寬度(噴嘴軸向)，其次是電極中心到噴口的軸向距離，電極形狀對霧滴荷質(zhì)比的影響最小。

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Analysis of Factors Affecting Inductive High Voltage Electrostatic Spray Droplet Charged Effect

Song Qi , Li Lin,Wu Shu,Wei Xinhua

(Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology, Ministry of Education, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

AnTo obtain better droplet charged result under the condition that the charging voltage is limited, the experiment model of droplet charge process was firstly established in this paper, then the key parameters that affect the charging effect of droplets were calculated, and two different electrodes(ring and copying) was used to design four kinds of high voltage electrode scheme by selecting three key technical parameters of high-voltage electrodes. Insulation layer with 2mm and 2.5mmthickness was applied to design eight different high voltage electrostatic shield for cone nozzle TR 80-04 of 80 degrees. Charge mass ratio was used to evaluate the charged result which was measured by combining mesh target and Faraday cylinder. Experimets showed that the charged effect of copying electrode was obviously better than that of ring electrode, electrode width and center to the jet axial distance had a positive correlation with droplet charge mass ratio. This paper provided reliable theory and experimental basis for the design of high voltage electrostatic cover.

high voltage electrostatic spray; droplet charged effect; insulation layer; charge mass ratio

2016-08-22

江蘇省農(nóng)業(yè)科技支撐計劃項目(BE2013401)；江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程項目(蘇政辦([2014])37號)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201503130)；鎮(zhèn)江市科技支撐計劃項目(NY2014030)

宋 琦(1993-),男，河南信陽人，碩士研究生，(E-mail) sq12369123@163.com。

魏新華(1972-)，男，山東濱州人，研究員，博士生導師，(E-mail)wei_xh@126.com。

S49；S220.3

A

1003-188X(2017)10-0156-07