风速、喷雾压力和静电电压对雾滴沉积性的影响

陈志刚， 于成程， 杜彦生， 魏新华， 张 奇

(1.江苏大学环境与安全工程学院，江苏镇江 212013； 2.江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江 212013；3.江苏大学农业装备工程学院，江苏镇江 212013)

众所周知，我国农药生产技术处于国际先进水平，而我国的农药使用技术却严重落后，落后于发达的欧美国家30～50年，采用现有植保机具和施药技术，农药的有效利用效率最好的也不足30%，施药过程中飘移、流失的农药是一种污染源，会造成环境污染和人畜中毒，已严重影响了农作物病虫草害的防治[1]。

在国内外研究人员不断探索下，静电喷雾施药技术是近年来发展起来的一种较为公认的高效施药技术，具有雾滴目标指向型运动好、雾滴沉积均匀性高、飘移损失小等优点，不仅节约了水和农药，还减少了环境污染[2-4]。外部环境风速、喷雾压力和静电电压对静电喷雾的效果都有很大影响。周宏平等认为，当静电电压升高时，雾滴粒径随电压增加而减小，雾滴沉降分布状态得到显著改善[5-7]；贾卫东等研究得出，静电作用下随着喷雾压力的增大，雾滴的沉积分布均匀性反而会降低[8-9]；何雄奎等通过试验表明，随着恒风风速和静电电压的增加，雾滴的飘移中心距离和飘失率增大[10-12]。综合分析前人的研究成果，大多数都只是研究单一或某几个因素对沉积效果的影响，而关于风速、喷雾压力以及荷电电压对雾滴的沉积效果的综合影响没有进行全面的研究。

本研究针对上述情况，搭建了1套用于研究静电喷雾沉积效果的试验装置，开展不同风速、喷雾压力和静电电压多因素影响条件下的沉积性能研究，以期为喷雾技术参数优化选配和提高雾滴沉积效果提供依据。

1 试验装置

本试验在江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室进行，测试时环境温度为(20±1) ℃，相对湿度为70%。搭建的静电喷雾系统用于荷电雾滴沉积性试验(图1)。

该系统主要由水箱、微型隔膜泵、调压阀、压力表、静电喷头、风机、直流高压测量仪、高压静电发生器组成。高压静电发生器输出端正极为荷电装置供电，直流高压测量仪与高压静电发生器输出端相连，测量其输出的高压，高压静电发生器输出端负极接地。微型直流隔膜泵选择普兰迪PLD-1205(量程为0～0.6 MPa)；调压阀选择亚德客AR-2000(调节范围为0～1 MPa)；压力表选择上海江云仪表厂生产的压力表(量程为0～0.6 MPa)；喷头选择Lechler TR80-02型标准圆锥雾喷头(雾锥角为80°)；风机选择SF-4型轴流风机(调节范围为0.1～3 m/s)；直流高压测量仪量程为0～40 kV；高压静电发生器选择GF-2A型(调节范围为0～40 kV)；静电罩电极用黄铜制成仿形，绝缘层厚度为2.5 mm，电极宽度和中心到喷口的轴向距离分别是6 mm和8 mm(图2)。

2 试验方法

2.1 试验设计

雾滴在沉积过程中主要受自身质量、曳力和电场力的影响[12-13]，其中电场力的大小主要取决于雾滴的荷电量。静电喷头产生的雾滴荷电效果的重要参数是荷质比[14-15](电荷量与雾滴质量m之间的比值)，单位为mC/kg。而静电喷雾中静电电压的大小又是影响雾滴荷电量的主要因素，所以本研究还进行了不同静电电压下雾滴荷质比和粒径体积中径的测定。

为研究不同风速、喷雾压力和静电电压对雾滴沉积效果的影响，设计了7个静电电压水平(0、1、2、3、4、5、6 kV)、4种风速(0、1、2、3 m/s)和5种喷雾压力(0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 MPa)，分别进行单因素试验，找到各因素与雾滴沉积效果的关系。

2.2 试验步骤

2.2.1 荷质比和雾滴粒径测量试验 荷质比测量试验如图3-a所示，该系统结合网状目标法和法拉第筒法。将喷头固定在三角架上与法拉第筒保持0.5 m距离，使喷雾轴线垂直于截流网中心，连接喷雾管路，调节Keithley皮安表，并设置Excel Links软件；打开并调节高压静电发生器，观察直流高压测量仪是否到达指定电压；点击Excel Links软件开始按钮，采集雾滴放电电流值，保持20 s后关闭软件和喷雾系统；用精密天平对该时间段收集的液体进行称质量，依据放电电流值与液体质量算得雾滴的荷质比；每组重复试验3次取平均值后改变工况，继续试验。

如图3-b所示，本试验采用Winner 318喷雾激光粒度分析仪(济南维纳颗粒仪器股份有限公司，粒径测量范围为 1～711 μm)对静电喷头进行雾滴粒径测定，并计算雾滴粒径体积中径D0.5(volune median diameter，简称VMDav)[8]。喷头位置为激光粒度分析仪发射与接收端中间位置的正上方 50 cm 处。测定选取喷雾压力0.3 MPa，静电电压0、1、2、3、4、5、6 kV，每组重复3次。

2.2.2 荷电雾滴沉积性试验 将静电喷雾系统(图1)的喷头固定在试验架上，靶标由水敏卡代替植物叶片，喷头下方0.5 m处悬空固定好一把钢尺作为导体，将水敏卡贴在钢尺正反两面来接收荷电雾滴，按试验设计环节的工况每组重复试验3次， 取平均值。喷雾结束以后，取下水敏卡，用扫描仪扫描水敏卡上沉积的雾滴，再利用软件对扫描仪扫出的图像进行分析计算，如图4所示，可以得出雾滴在水敏卡正反面的沉积率。

收集每组工况下3次试验的水敏纸卡，对其作变异系数(CV)分析，来观察雾滴沉积的均匀性，变异系数计算公式为

(1)

(2)

3 结果与分析

3.1 静电电压对雾滴荷质比及沉积性的影响

试验设定风速为0 m/s、喷雾压力为0.3 MPa，由表1可知，荷质比随着静电电压的增加而逐渐增大，在3～4 kV处增幅最大，之后趋于平缓，到6 kV时达到最大值 0.128 mC/kg；雾滴粒径随静电电压增大而变小，在6 kV时达到最小值137.79 μm。随着电压升高雾滴沉积的变异系数在逐渐减小，从16.58%下降到7.40%。试验表明，电压升高使静电喷雾的均匀性有明显提高。

雾滴在水敏卡正面的沉积率随静电电压的升高而增大，在3 kV之后，水敏卡背面开始有雾滴沉积。说明此时荷电雾滴产生电场对钢尺产生静电感应现象。在充电电压为6 kV时，正反面的沉积率分别达到最大值37.86%和7.15%。总沉积率相对于0 kV时的28.13%提高了16.88百分点。这是因为静电电压会使雾滴携带电荷，且电荷呈现与电极相反的电性， 在荷电雾滴下落过程中雾滴周围会产生电场。植物叶片含水量较多，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，从而在雾滴和植物之间产生相互吸引电场力，提高雾滴在叶片上的沉积能力[16]。

表1 静电电压对雾滴荷质比和沉积性影响

3.2 喷雾压力对雾滴沉积性的影响

在风速为0 m/s的工况下，选取0、2、4、6 kV 4种不同静电电压做对照试验，来获取不同喷雾压力对雾滴沉积率的影响规律。如图5-a所示，雾滴在水敏卡正面的沉积率随喷雾压力的增大而增大，在喷雾压力为0.4 MPa、静电电压为6 kV时到达最大值40.17%。

图5-b反映在4、6 kV静电电压、0 m/s的环境风速下水敏卡背面沉积情况。雾滴的沉积率随喷雾压力增大而增大，在0.3 MPa以后增大幅度趋于平缓。主要是因为随喷雾压力增大，喷出的雾滴流量增大，粒径减小，而背面的雾滴沉积主要与雾滴所带电荷数量有关。当充电电压不变，单位时间内喷头喷出的雾滴数量增多时，由于单个雾滴粒径变小，每个雾滴所带的电量也就减少，因此背面的沉积率并没有明显增大。

图5-c反映在风速为0 m/s的条件下，不同喷雾压力对雾滴沉积均匀性的影响。0 kV时，随喷雾压力变大，变异系数逐渐变小，雾滴沉积得更均匀；而当电压为2、4、6 kV时，变异系数逐渐变大，雾滴沉积的越来越不均匀，原因在于雾滴荷质比与喷雾压力呈负相关关系，喷雾压力增大，荷质比降低，雾滴定向运动至靶标的能力降低。

3.3 环境风速对雾滴沉积性的影响

在喷雾压力为0.3 MPa的工况下，选取0、2、4、6 kV静电电压做对照试验，得到不同风速下沉积率的变化规律。由图 6-a 可知，雾滴在水敏卡正面的沉积率随风速的增加而减小，4种静电电压下水敏卡正面的沉积率在风速为3 m/s时与风速为0 m/s时相比分别减少了12.87%、10.2%、7.53%、7.67%。当风速达到3 m/s、充电电压为0 kV时，沉积率达到最小值15.26%。

因为静电电压在4 kV以下时，雾滴在水敏卡背面沉积率可忽略不计，所以图6-b反映了在0.3 MPa喷雾压力和4、6 kV 静电电压下水敏卡背面的沉积率规律。当风速变大时，部分荷电雾滴被风吹走，不能够沉积在有效的靶标上，沉积率随风速的增大而减小。

由表2可知，在喷雾压力为0.3 MPa、静电电压为6 kV时，雾滴在水敏卡上沉积率的变异系数随着风速的增加而变大，从7.40%增长到17.98%，表明风速对雾滴沉积的均匀性有显著影响。

表2 不同风速下雾滴沉积变异系数

3.4 正交试验

完成风速、喷雾压力和静电电压对雾滴沉积的单因素影响试验后，安排多因素试验，优化参数选配，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。本研究采用3因素3水平正交试验对风速、喷雾压力和静电电压进行雾滴沉积率试验分析，选取 L9(34) 正交试验表，试验因素如表3所示。

表3 正交试验因素水平

根据正交试验表安排了9次试验，试验结果见表4。对试验结果进行极差分析，可以找到各因素对沉积率影响的主次顺序和各因素的最佳组合。如表5所示，k1、k2、k3分别表示各水平的平均值；极差R是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对试验结果影响的大小。各因素对雾滴沉积率影响由大到小的顺序依次是静电电压、喷雾压力、风速，同时可以得出喷雾的最好方案是静电电压为 6 kV、喷雾压力为0.4 MPa、风速为0 m/s。

表4 正交试验结果

表5 极差分析计算

通过方差分析检验各因素下不同水平对试验结果影响是否显著，如表6所示。结果表明，静电电压U因素的P值小于0.01，喷雾压力P值和风速v的P值小于0.05，说明3个因素对雾滴沉积率的影响均显著，与极差分析结果一致，说明误差没有影响试验正确性。通过对得出的最佳水平组合进行多次试验，得出该因素水平组合下雾滴沉积率平均值为48.01%。

表6 方差分析

注：F0.1(2，2)=9.0，F0.05(2，2)=19.0，F0.01(2，2)=99.0。

4 结论

(1)荷质比随静电电压的升高而增大，4 kV以后逐渐趋于平缓，在6 kV时荷质比达到最大值0.128 mC/kg，雾滴粒径达到最小值137.79 μm。雾滴的沉积率随电压增大而增大，变异系数随电压增大而减小。(2)雾滴沉积率随喷雾压力的增大而增大，静电电压达到4 kV时，靶标背面开始有雾滴沉积；喷雾压力变大，靶标正面的沉积率越高，靶标背面的沉积率先增大后趋于稳定；当静电电压为0 kV时，变异系数随喷雾压力增大而减小，有静电作用下变异系数随喷雾压力增大而增大，雾滴沉积均匀性变差。(3)环境风速越大，雾滴的沉积率越小，变异系数越大，雾滴沉积的均匀性越差。喷雾压力0.3 MPa不变，当风速为3 m/s、静电电压为0 kV时，雾滴沉积率达到最小值15.26%；当静电电压为6 kV、喷雾压力为0.3 MPa不变，风速达到3 m/s时雾滴沉积的变异系数达到最大值17.98%。(4)正交试验得出，风速、喷雾压力和静电电压均对雾滴沉积率有显著影响，影响的主次顺序为静电电压、喷雾压力、风速。本系统喷雾的最佳水平组合是静电电压为6 kV、喷雾压力为0.4 MPa、风速为0 m/s，此时沉积率为48.01%。