靜電噴霧霧滴荷電特性研究

摘要：

為進一步降低靜電噴霧設備的靜電電壓，提升靜電噴霧設備絕緣可靠性和安全性，設計在1～8 kV負高壓靜電電壓下進行靜電噴霧試驗。通過改變靜電噴霧時的靜電電壓、噴霧壓力、靜電環(huán)直徑、靜電環(huán)線圈寬度等參數，計算靜電噴霧霧滴的荷質比。繪出霧滴荷質比隨電壓、電極環(huán)直徑和匝數的變化曲線，對不同條件下的荷質比進行理論分析，對比不同試驗條件下荷質比的變化趨勢。通過對比，選取荷質比相對穩(wěn)定的靜電電壓、噴霧壓力、靜電環(huán)直徑、線圈寬度等參數。試驗表明：靜電電壓在3～7 kV，噴霧壓力為0.3MPa，電極環(huán)直徑為25mm，線圈寬度為20匝時，荷電效果比較明顯且相對穩(wěn)定。為下一步研發(fā)和改進靜電噴霧機具提供參考依據。

關鍵詞：靜電噴霧；荷電量；荷質比；電極環(huán)；極距

中圖分類號：S491; S126

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2025） 03-0059-05

收稿日期：2024年1月12日" 修回日期：2024年3月26日*

基金項目：四川省水利廳科研項目（KY2019—01）

第一作者：王黎光，男，1982年生，西安人，碩士，副教授；研究方向為電氣工程及輸配電技術。E-mail： 250707933@qq.com

通訊作者：劉芹，女，1983年生，山東淄博人，碩士，講師；研究方向為供配電工程技術。E-mail： 240173479@qq.com

Study on the electric charge characteristics of electrostatic spray droplets

Wang Liguang， Liu Qin， Ma Xiaoyu， Feng Junkun

（Department of Electrical Engineering， Sichuan Water Conservancy Vocational College， Chengdu， 611231， China）

Abstract：

To further reduce the electrostatic voltage of electrostatic spray equipment and improve the insulation reliability and safety， an electrostatic spray experiment is designed with a negative high-voltage electrostatic voltage range of 1-8 kV. By changing the electrostatic voltage， spray pressure， electrostatic ring diameter， electrostatic ring coil width and other parameters of electrostatic spray， the charge-to-mass ratio of the droplets under each parameter is calculated. The relationship between the charge-to-mass ratio and the voltage， electrode ring diameter， and number of coil turns is plotted， and theoretical analysis of the charge-to-mass ratio under different conditions is conducted. The variation trends of the charge-to-mass ratio under different conditions are compared. By comparison， the electrostatic voltage， spray pressure， electrode ring diameter， and coil width parameters with relatively stable charge-to-mass ratio are selected. The results show that when the electrostatic voltage is between 3 kV and 7 kV， the spray pressure is 0.3 MPa， the electrode ring diameter is 25mm， and the coil width is 20 turns， the charging effect is significant and relatively stable. These data provide a reference for further development and improvement of electrostatic spray machines.

Keywords：

electrostatic spray; electric charge; charge-to-mass ratio; electrode ring; electrode spacing

0 引言

靜電噴霧技術在農藥噴灑領域的優(yōu)點尤為突出［1］，能夠有效提高霧滴顆粒的均勻性［2］、霧滴顆粒在目標物上的沉積量［3］、霧滴顆粒在作物上吸附性［4］，提高藥液的利用率［5］，節(jié)省原料和水資源，減小對環(huán)境的污染［6］。林甄等［7］研究了30～80 kV電壓下植保靜電噴霧系統的性能參數。李建平等［8］研究了0～10 kV梯形果園風送靜電噴霧機的仿真分析及試驗，設計的靜電電壓為0 kV、6 kV、8 kV、10 kV。曹瑞［9］研究了脈沖式靜電噴霧裝置，設計對靜電噴頭感應極板施加的靜電電壓為4～14 kV。貢常委等［10］研究了10～20 kV靜電噴霧對農藥飄移及沉積分布的影響。張晨陽［11］研究了感應式靜電噴嘴荷電及霧化降塵特性，驗證了黃銅電極荷電效果最佳，揭示了靜電噴嘴霧化降塵的特性。陳雨［12］研究了氣力輔助靜電噴頭及噴霧系統，進行10 kV、15 kV、20 kV的荷質比研究試驗。王尚峰［13］研究了近葉片帶電霧滴沉積運動，選擇了4 kV、6 kV、8 kV、10 kV、12 kV的感應荷電電壓進行荷質比測量。以往研究表明影響靜電噴霧效果的因素眾多，很少有明確的關系式可供參考，定性分析和試驗驗證的方法較為常見。試驗采用的靜電電壓集中在4～80 kV，對噴頭絕緣性能的要求較高。

在靜電噴霧試驗中，靜電電壓越低試驗系統的安全性和絕緣可靠性越好，越利于機具的開發(fā)和應用。本文選用靜電電壓、噴霧壓力、極距、電極環(huán)尺寸等可控因素進行多因素試驗，測試靜電噴霧過程中重要荷電效果參數荷質比的變化情況，結合理論分析靜電噴霧的霧滴荷電效果，為后續(xù)研發(fā)和改進噴霧機具提供可靠依據。

1 試驗裝置

試驗裝置主要由供液系統、供電系統、藥液收集系統和數據采集系統等構成，其原理如圖1所示。

為保證試驗數據的可靠性，應將供液系統設備安裝于同一水平，噴頭正對法拉第桶，水平噴射，試驗裝置如圖2所示。

根據試驗需要，試驗裝置應具有：（1）試驗裝置應布局合理、結構緊湊，充分利用空間且能方便提取試驗數據。（2）噴霧壓力、噴霧流量、靜電電壓的調節(jié)及控制，測量裝置的安裝應避開霧滴沉積區(qū)域。高壓輸出電源和高壓線等不應接觸到噴霧的液滴，防止高壓漏電。同時方便操作和控制整個試驗工作參量改變。（3）試驗裝置設置為水平狀態(tài)噴射，與實際工作狀態(tài)相近，及時收集噴出的測試液體，保持試驗區(qū)域溫度濕度不變。

1.1 供液系統

由額定功率為20 W的微型水泵提供噴霧用液體。液泵將蓄液罐中的溶液經過調壓閥、壓力表、控制電磁閥后供給噴頭，并產生合適的噴霧壓力，用壓力調節(jié)閥調節(jié)到所需要的噴霧試驗壓力。

1.2 高壓供電系統

高壓靜電發(fā)生器采用工作條件為AC220 V、50Hz、0～30 kV負高壓靜電發(fā)生器給靜電極環(huán)提供負高壓靜電，產生的負高壓通過導線直接連接在靜電極環(huán)上，并通過調節(jié)靜電發(fā)生器來獲得試驗所需電壓。

選用量程為0～30 kV的電壓表來測量高壓靜電極環(huán)的電壓。試驗時將高壓靜電發(fā)生器的輸出端直接連接到試驗電極上，通過高壓電源調節(jié)試驗電壓；為準確地測量作用于電極上的靜電電壓值，選擇高精度高壓探頭和6位高精度電壓表相連測量電極電壓，高壓探頭的衰減系數為1 000倍。高壓探頭直接接在高壓電源與電極的連接點上，裸露部分做好絕緣，防止短路和漏電損失，測量電極對地的電壓。試驗過程中，當噴頭在固定液體壓力和液體流量下穩(wěn)定運行后，調節(jié)高壓靜電發(fā)生器，使電壓表所示電壓為試驗所需電壓值。

1.3 壓力調節(jié)系統

試驗系統采用的精度為±1%的壓力調節(jié)閥為自力式壓力調節(jié)閥，壓力測量儀表采用精度等級為0.16的精密壓力表，主要功能為調節(jié)試驗噴頭進液口的壓力。在水泵至噴頭的管路間安裝壓力調節(jié)閥和電磁控制閥，壓力閥調節(jié)并穩(wěn)定試驗所需的壓力，電磁閥控制噴頭的工作，高精度壓力表安裝在噴頭的進口處，測量液體進入噴頭的壓力，保證噴頭處壓力的要求。

1.4 電極結構

試驗選用兩種不同直徑的銅質導線制成環(huán)狀電極，銅具有良好的導電性，易于加工成環(huán)狀，制成多匝數的環(huán)狀電極。通電后，電極環(huán)就變成一個多簇疊加的環(huán)形電場，從而提高霧滴的荷電效果。為避免環(huán)狀電極暴露于噴霧射流的液滴中和表面吸附液滴，試驗將環(huán)形電極內嵌于聚四氟乙烯材料內并密封。電極受潮后容易形成短路，影響荷電試驗的正常進行。試驗改進的靜電環(huán)裝置有明顯的優(yōu)點，絕緣材料選用聚四氟乙烯，絕緣性能強，同時導線是纏繞在聚四氟乙烯的導線槽內并用密封保護，所以試驗過程不會因電極受潮影響霧滴的荷電效果，確保試驗順利進行。

1.5 霧化器選擇

選用流量為0.36kg/min、噴射角度為76°的實心錐形噴頭。將噴頭與絕緣材料充分結合，同時需控制調節(jié)靜電環(huán)與霧滴之間的軸向距離，采用壓力式實心錐形噴頭。噴頭及靜電環(huán)的布置如圖3所示。

2 試驗方案設計

2.1 試驗參數設置

影響霧滴荷電性能的因素有很多，如靜電電壓、充電方式、噴霧壓力、電極結構、藥液物理特性、霧滴大小、噴頭流量、射流位置以及環(huán)境等，部分因素是不可控的，部分因素可控。根據當前試驗條件和試驗結果的要求，選擇可控因素進行多因素多水平試驗。選定荷電電壓、噴霧壓力、試驗參數、電極形式、極距、線圈匝數等參數為試驗變量參數，具體參數如表1所示。

2.2 試驗過程

試驗時，溫度控制在18℃～27℃，濕度控制在60%±5%，應用銅導線將高壓靜電發(fā)生器和靜電噴頭相連接，噴頭水平噴射至法拉第桶中央，使噴霧中心正對法拉第桶中心，每一變量參數進行3次重復試驗，每次試驗穩(wěn)定的噴霧時長控制在60s±5s，同時注意5點：（1）試驗時，精密電流表和電壓表需預熱1h。高壓輸出電源預熱30min，保證試驗的精度和穩(wěn)定性。（2）試驗過程中應注意室內溫度和濕度的變化，應盡可能使噴霧的環(huán)境保持不變，同一組試驗應當盡可能保持在同一環(huán)境下進行。環(huán)境的變化會出現信號不穩(wěn)定的現象，影響試驗結果。（3）調節(jié)試驗參數變量時，每次只調節(jié)1個變量，其余參數保持不變。同時必須保證各參數均處于穩(wěn)定狀態(tài)時進行試驗。（4）試驗過程確保試驗電極的干燥。（5）在記錄數據過程中，由于精密電流表示值對電流信號具有一定的滯后性，所以在讀數的時候應該稍等數秒，等數值穩(wěn)定后再提取數據。

2.3 試驗數據收集及計算

精密電流表、電磁閥、高精度電壓表、壓力表等設備按照圖1所示連接，結合網狀—目標法收集噴霧藥液、獲取靜電發(fā)生器的靜電電壓、荷電電流、噴霧壓力、藥液量等數據。同時使用EXCEL軟件采集相關數據并計算，提高數據準確率和計算效率。試驗采用感應荷電法，根據式（1）、式（2）計算霧滴荷電的平均荷質比。

q=CU≈2πεrUδ

（1）

A=qM=qρQt

（2）

式中： q——荷電量，mC；

C——電容，F；

δ——靜電力常數，（N·m2）/C2;

A——荷質比，mC/kg;

r——霧錐半徑，m；

ε——介電常數；

U——靜電電壓，V；

M——藥液質量，kg；

Q——流量，kg/min；

t——噴霧時間，s;

ρ——藥液密度，kg/m3。

電壓測量可以通過電壓表來讀數，還可以直接觀測靜電發(fā)生器的電壓顯示器來讀數。電流值直接通過精密電流表測量。將電壓值調節(jié)到需要值，工作穩(wěn)定后提取電壓表和電流表顯示器的數值。

3 試驗結果分析

3.1 極距對荷質比的影響

試驗設計的荷電電極環(huán)直徑較小，電極前后可調整的距離有限，荷電試驗設計采用的極距有2種，即0mm和5mm。極距為0mm時，即電極線圈中心位于噴頭噴出孔的徑向端面處，噴孔正對線圈的中心。此時，液體剛離開噴孔，沒有完全霧化，大部分液體還是以柱狀液體的形式通過電極線圈，穿過電極內部區(qū)域的面積較小，霧滴顆粒粒徑較大，霧滴顆粒數量相對較少，霧滴顆粒的表面積小，相同電場強度的區(qū)域內通過后荷電量也小，荷質比隨之減小。極距為5mm時，線圈中心和噴孔的軸向距離為5mm，液體通過噴孔后已經充分霧化，形成液滴顆粒直徑較小的液滴顆粒群。由于噴霧的形狀是實心錐，所以液滴距離噴孔的軸向距離越遠，噴灑面積越大。此時霧滴通過電極線圈內電場區(qū)域的形狀為圓，霧滴顆粒也得到充分的霧化，成為微小顆粒的液滴群，霧滴顆粒的數目急劇增加，其表面積也增大。相同電場強度下，同樣質量的霧滴經過該電場區(qū)域后的荷電量隨之增加，霧滴的荷質比增大。壓力對荷質比也有影響，壓力增大，噴霧流速增加，單位時間內霧滴質量增加，電壓不變時，荷質比反而變小。同時壓力增大，霧滴充分霧化的距離大于極距5mm，所以極距為5mm時，荷電效果不佳，荷質比會出現變小的情況。

綜上所述，電極線圈離噴孔的距離越遠，即電極與霧錐面間的距離越近，霧滴穿過電場區(qū)域的面積越大，霧滴越分散，數量越多，霧滴群體的表面積越大，經過電場區(qū)域后所帶的電量將越多，荷質比越大。同時，電場線分布越密集，電場強度越強。霧滴分散后距離電極線圈的徑向距離越近，所經過的電場區(qū)域的電場強度也就越大，此時荷電量也增多，即荷質比增大。所以極距大的時候，同質量的霧滴通過的電場區(qū)域的面積較大，帶電量較多，荷質比也越大。如圖4所示，電壓為3～7 kV時荷質比較大，荷電效果明顯。

3.2 電極線圈匝數對荷質比的影響

如圖5所示，線圈匝數在20匝時的荷電效果和荷質比比較穩(wěn)定。

荷電電壓以及其他參數都確定時，單匝導線周圍的電場線分布比較均勻。線圈匝數增加，其周圍的電場分布將會發(fā)生改變，線圈周圍的電場將會重合疊加，使線圈周圍的電場強度增加，線圈的匝數越多，周圍的電場疊加越多，相同電壓值時電場強度越強，霧滴的荷電量越多，荷質比增大。但是在試驗過程中，隨著匝數的增加，電流表的示值變化卻很小，此時霧滴的荷電量達到飽和，噴霧過程為微霧化噴霧，霧滴的直徑和噴霧量都較小，所以霧滴的荷電量很容易達到飽和。荷電過程是霧滴顆粒極不穩(wěn)定的過程，該過程持續(xù)的時間較短，電流值、電壓值和電場強度很難被精確監(jiān)測。所以只能確定在某一電壓下線圈匝數的荷電量達到飽和且變化狀態(tài)相對穩(wěn)定。

綜上所述，在電極線圈直徑相同的情況下，霧滴距離電極環(huán)線圈的徑向距離不變，霧滴穿過線圈內電場區(qū)域的面積也不變。線圈內電場的強弱直接影響霧滴荷電量的大小。電壓值穩(wěn)定時，每一匝線圈周圍的電場也穩(wěn)定。電極環(huán)線圈匝數增多，電極環(huán)內電場相互疊加后電場強度增強，霧滴通過該電場區(qū)域后的荷電量將隨之增大，流量穩(wěn)定時，相同質量霧滴的荷質比增加。

4 結論

1） 從噴頭的角度，控制極距較為方便。極距大時荷電效果明顯，但電極容易受所噴霧滴的影響，表面易積聚霧滴，使電極受潮從而影響絕緣性能和噴霧效果，所以靜電噴霧應充分考慮極距對荷電效果的影響。

2） 在電壓值相同、電極線圈直徑相同、電極線圈為20匝時，霧滴荷質比較穩(wěn)定，線圈匝數在試驗所選參數范圍內，電場越強，霧滴的荷質比越大，荷電效果明顯。

3） 電壓在3～7 kV范圍內變化時，電壓升高，通過環(huán)形電極的電流增加，霧滴通過環(huán)形電極后的荷電量增大，荷質比相對穩(wěn)定。此電壓范圍內的荷電效果明顯。

4） 綜合對比各試驗因素，壓力在0.3MPa時，霧滴荷電效果明顯，荷質比相對穩(wěn)定。壓力小時，噴霧流速降低，單位時間的噴霧質量減小，荷質比反而增加；壓力大時，噴霧流速增大，單位時間的噴霧質量增加，同時流速增加，在設置的極距處還來不及充分霧化，荷電效果不佳，導致荷質比不穩(wěn)定。

參 考 文 獻

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