風(fēng)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(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013； 2.江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；3.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

眾所周知，我國農(nóng)藥生產(chǎn)技術(shù)處于國際先進(jìn)水平，而我國的農(nóng)藥使用技術(shù)卻嚴(yán)重落后，落后于發(fā)達(dá)的歐美國家30～50年，采用現(xiàn)有植保機具和施藥技術(shù)，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(yán)重影響了農(nóng)作物病蟲草害的防治[1]。

在國內(nèi)外研究人員不斷探索下，靜電噴霧施藥技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種較為公認(rèn)的高效施藥技術(shù)，具有霧滴目標(biāo)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(fēng)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(rèn)為，當(dāng)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(fēng)風(fēng)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(guān)于風(fēng)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(jìn)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(fēng)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(shù)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(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室進(jìn)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(diào)壓閥、壓力表、靜電噴頭、風(fēng)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(fù)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(diào)壓閥選擇亞德客AR-2000(調(diào)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(biāo)準(zhǔn)圓錐霧噴頭(霧錐角為80°)；風(fēng)機選擇SF-4型軸流風(fēng)機(調(diào)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(diào)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(shè)計

霧滴在沉積過程中主要受自身質(zhì)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(zhì)比[14-15](電荷量與霧滴質(zhì)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(jìn)行了不同靜電電壓下霧滴荷質(zhì)比和粒徑體積中徑的測定。

為研究不同風(fēng)速、噴霧壓力和靜電電壓對霧滴沉積效果的影響，設(shè)計了7個靜電電壓水平(0、1、2、3、4、5、6 kV)、4種風(fēng)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(jìn)行單因素試驗，找到各因素與霧滴沉積效果的關(guān)系。

2.2 試驗步驟

2.2.1 荷質(zhì)比和霧滴粒徑測量試驗 荷質(zhì)比測量試驗如圖3-a所示，該系統(tǒng)結(jié)合網(wǎng)狀目標(biāo)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(diào)節(jié)Keithley皮安表，并設(shè)置Excel Links軟件；打開并調(diào)節(jié)高壓靜電發(fā)生器，觀察直流高壓測量儀是否到達(dá)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(guān)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(jìn)行稱質(zhì)量，依據(jù)放電電流值與液體質(zhì)量算得霧滴的荷質(zhì)比；每組重復(fù)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(jìn)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(fù)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(biāo)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(dǎo)體，將水敏卡貼在鋼尺正反兩面來接收荷電霧滴，按試驗設(shè)計環(huán)節(jié)的工況每組重復(fù)試驗3次， 取平均值。噴霧結(jié)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(jìn)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(jié)果與分析

3.1 靜電電壓對霧滴荷質(zhì)比及沉積性的影響

試驗設(shè)定風(fēng)速為0 m/s、噴霧壓力為0.3 MPa，由表1可知，荷質(zhì)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(dá)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(dá)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(yīng)現(xiàn)象。在充電電壓為6 kV時，正反面的沉積率分別達(dá)到最大值37.86%和7.15%?？偝练e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(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(zhì)比和沉積性影響

3.2 噴霧壓力對霧滴沉積性的影響

在風(fēng)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(dá)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(fēng)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(guān)。當(dāng)充電電壓不變，單位時間內(nèi)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(fēng)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(dāng)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(zhì)比與噴霧壓力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，噴霧壓力增大，荷質(zhì)比降低，霧滴定向運動至靶標(biāo)的能力降低。

3.3 環(huán)境風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)速為3 m/s時與風(fēng)速為0 m/s時相比分別減少了12.87%、10.2%、7.53%、7.67%。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到3 m/s、充電電壓為0 kV時，沉積率達(dá)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(dāng)風(fēng)速變大時，部分荷電霧滴被風(fēng)吹走，不能夠沉積在有效的靶標(biāo)上，沉積率隨風(fēng)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(fēng)速的增加而變大，從7.40%增長到17.98%，表明風(fēng)速對霧滴沉積的均勻性有顯著影響。

表2 不同風(fēng)速下霧滴沉積變異系數(shù)

3.4 正交試驗

完成風(fēng)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(jìn)行試驗，通過分析試驗結(jié)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(fēng)速、噴霧壓力和靜電電壓進(jìn)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(jié)果見表4。對試驗結(jié)果進(jìn)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(jié)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(fēng)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(fēng)速為0 m/s。

表4 正交試驗結(jié)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(jié)果影響是否顯著，如表6所示。結(jié)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(fēng)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(jié)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(jìn)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(jié)論

(1)荷質(zhì)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(zhì)比達(dá)到最大值0.128 mC/kg，霧滴粒徑達(dá)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(dá)到4 kV時，靶標(biāo)背面開始有霧滴沉積；噴霧壓力變大，靶標(biāo)正面的沉積率越高，靶標(biāo)背面的沉積率先增大后趨于穩(wěn)定；當(dāng)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(fēng)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(dāng)風(fēng)速為3 m/s、靜電電壓為0 kV時，霧滴沉積率達(dá)到最小值15.26%；當(dāng)靜電電壓為6 kV、噴霧壓力為0.3 MPa不變，風(fēng)速達(dá)到3 m/s時霧滴沉積的變異系數(shù)達(dá)到最大值17.98%。(4)正交試驗得出，風(fēng)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(fēng)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(fēng)速為0 m/s，此時沉積率為48.01%。