宋 琦，李 林，吴 姝，魏新华

(江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江 212013)



感应式高压静电喷头雾滴荷电效果影响因素分析

宋 琦，李 林，吴 姝，魏新华

(江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江 212013)

为研究如何在有限的充电电压下获得良好的雾滴荷电效果，首先建立了雾滴荷电过程的等效模型，对影响雾滴荷电效果的关键性参数进行理论推导；然后采取圆环形和仿形两种电极形式，取3个高压电极的关键性技术参数，设计4种不同的高压电极方案；最后配合2、2.5mm两种不同的绝缘层厚度，为雾锥角为80°的空心圆锥雾喷头TR 80-04设计了8种不同的高压静电罩，用网状目标法与法拉第筒法结合的荷质比测量系统对其荷电比进行测量，以荷质比评价其荷电效果的优劣。结果证明：理论分析与试验研究达到了良好的一致性，仿形电极的荷电效果明显优于圆环形电极，且电极宽度、电极中心到喷口的轴向距离与雾滴荷质比正相关，为高压静电罩的合理设计提供了可靠的理论和试验依据。

高压静电喷头；雾滴荷电效果；绝缘层；荷质比

0 引言

静电喷雾技术[1-2]具有雾滴目标指向性好、雾滴沉积均匀性高及飘移损失小等优点，节约了水和农药，减少了环境污染，近年来获得了迅速发展[3-11]。雾滴在实际荷电过程中，其荷电方式有3种，即接触充电、感应充电及电晕充电。就荷电效果而言，接触充电充电最充分、效果最佳，感应充电次之。但接触充电需要很高的充电电压，在实际运行中不安全；而感应充电所需的充电电压较低，相对比较安全[11-17]。

如何在有限的充电电压下获得良好的雾滴荷电效果，一直是国内外学者的研究重点。崔海蓉等研究发现：对于圆环形电极，雾滴荷电量随充电电压的提高而增大，随电极环直径的增大而减小，随电极安装位置沿喷射方向的前移而增大[18]。高良润和刘保垣等研究发现：如果雾滴沉积在裸露电极上，则当充电电压增高到一定数值时，就会产生电晕现象，雾滴荷电效果反而会减弱[19-20]。张玲等采用带有高压绝缘外套的仿形电极设计了一种静电感应喷头，获得了良好的雾滴荷电效果[21]。Jae-Duk Moon等设计了一种圆环形感应式静电喷头，对影响其荷质比的参数做了一个较为全面的研究，获得了该喷头的最佳结构参数。但以上研究仍未完全揭示充电电压、电极结构，以及电极位置和绝缘层厚度等参数对雾滴荷电效果的综合影响规律[22]。

针对常用的80°空心圆锥雾喷头TR 80-04，分别采用圆环形和仿形紫铜电极，设计了不同电极宽度、电极位置和绝缘层厚度的多种静电感应罩，并对以上因素对雾滴荷电效果的影响规律进行了理论分析和试验研究，以期为静电感应罩的优化设计提供依据。

1 雾滴荷电效果理论分析

如图1所示：感应充电过程中，药液流在水压作用下从喷口射出，在喷口附近形成圆锥状水膜，与空气撞击破裂形成雾滴并在运动中进一步破裂变细[23]。中心半径为R2的仿形电极、半径固定为Ry的圆环形电极安装于喷口前L处，圆锥状水膜在电极中心处的半径为R1。据静电感应原理可知：高压电极在锥状水膜处感应出大量与之极性相反的静电荷，在锥状水膜前方的液膜破裂后，雾滴便携带有与充电电压极性相反的电荷，实现了对雾滴的荷电。

沿喷雾轴向取单位厚度dl的电极和水膜层，电极、水膜及两者之间空气层和电极绝缘层可简化为同轴圆柱电极组成的混合介质电容器，应用高斯定理，并积分，求得其电容值为

(1)

式中 ε—空气层及电极绝缘层混合介质的等效介电常数；

r1—水膜半径；

r2—电极半径。

图1 电极位置示意图

在电容器的两极板上所携带的电荷量为

(2)

式中 U—充电电压。

可见，极板电荷量Q与充电电压U和极板间混合介质的等效介电常数ε密切相关，U和ε越大，Q也越大。当混合介质和充电电压一定时，极板荷电量只与电容器结构尺寸r1和r2有关。当r2/δ≫1时，对式(2)有[8]

(3)

显然，δ越小，Q越大，但药液在喷洒过程中容易发生溅射；δ过小，溅射雾滴则易于在高压电极感应面上沉积，产生电晕现象，因而δ也不易过小。令电极与水膜之间的间距δ=r2-r1且δ=λ+μ，极板间混合介质的等效介电常数ε为

(4)

式中δ—电极与水膜之间的间距；

λ—绝缘层厚度；

μ—空气层厚度；

εr—绝缘层相对介电常数；

ε0—真空介电常数。

可见，若电极与水膜之间的间距δ一定，ε随着电极绝缘层厚度的变化而变化，因而可以通过改变充电电压或电极绝缘层厚度来改变极板荷电量。将(3)式代入(4)式可得

(5)

当电极形式确定为仿形电极时，将δ优化为固定值，若λ=λ0一定，μ=μ0随之确定。对式(5)而言，r2为变量，因喷雾雾锥角为80°，因而通过几何分析得

r2=l×tan40°+λ0+μ0≈0.839l+λ0+μ0

(6)

式中 l—电极安装位置距喷口的距离。

将式(6)代入式(5)，对式(5)积分，可得极板总荷电量为

(7)

式中 l1—电极到喷口的最小轴向距离；

l2—电极到喷口的最大轴向距离。

令β=l2-l1、L=(l1+l2)/2，则对式(7)积分得

(8)

式中 β—沿喷口轴向的电极宽度；

L—电极中心到喷口的轴向距离。

由式(8)可知：极板总荷电量Q随着电极中心到喷口的轴向距离L和电极宽度β的增大而增大，因而增加电极宽度可以提高极板总荷电量，增加电极中心到喷口的轴向距离也可以提高极板总荷电量。

当电极形式确定为圆环形电极时，可近似认为其r2值不变，值为

r2=0.839ly+λ0+μ0

(9)

式中 ly—圆环形电极电极最外侧到喷口的轴向距离。

对式(5)而言，λ为变量，圆环形电极空气层厚度与仿形电极一致μ=μ0，因而有

λ=r2-l×tan40°-μ0≈0.839(ly-l)+λ0

(10)

将式(9)、式(10)代入式(5)，对式(5)积分，可得极板总荷电量为

=2π(0.839ly+λ0+μ0)Uεrε0·

(12)

由式(12)可知：对于仿形电极的结论同样适用于圆环形电极。

用式(7)减去式(12)可得

(13)

式中Qc—仿形电极与圆环形电极荷电量之差。

由式(13)可知：当仿形电极与圆环形电极最外侧半径相同时，仿形电极荷电效果明显优于圆环形电极。

通过以上分析可知，电极绝缘层厚度、电极形式、电极宽度和电极中心到喷口的轴向距离是影响雾滴荷电效果的关键性结构因素。

2 试验

2.1 试验用静电罩

本文旨在为雾锥角为80°的圆锥雾喷头TR 80-04设计静电罩，使其喷雾液滴荷电且荷质比尽可能高，以提高叶片表面雾滴沉积率、喷洒均匀性和药液利用率。基于以上设计思想，本文选取0.2mm的紫铜作电极材料，选择电极形式、电极宽度和电极位置作为3个变量对荷电雾滴荷质比进行研究。其中，电极形式分为圆环形和仿形两种形式，电极宽度(喷口轴向)分为2mm和6mm两种形式，电极中心到喷口的轴向距离分为4mm和8mm两种形式。

药液在喷洒过程中容易发生溅射，溅射雾滴在高压电极感应面上沉积，逐渐在感应面上形成锥形液滴，并发射出和电极极性相同、雾流电荷极性相反的微小雾滴，且电压越高，该微小雾滴越多。当电压增高到一定数值时，就产生了电晕现象，减弱了感应充电雾滴的荷电效果。因而，在静电罩设计过程中，本文采用了嵌套安装设计方案，其爆炸安装图如图2所示。

图2 静电罩爆炸安装图

此设计不仅增强了绝缘效果，且对电极位置起了固定的作用；但电极定位装置的厚度直接影响等效电容器的ε值，对静电效果也有着至关重要的影响[19,22]，因而选择了2、2.5mm两种不同的绝缘层厚度来观察其对静电效果的影响。

本文根据静电罩电极设计选择的3个变量，设计了4种不同的高压静电电极方案；再根据绝缘层厚度这一变量，共设计了8种不同的高压静电罩方案。

4种高压电极方案中，含有3种仿形电极方案和1种圆环形电极方案，仿形电极三维图如图3所示。

图3 仿形电极三维图

对于4种高压电极方案，有3个关键性的技术指标，分别为电极形式a、电极宽度β(喷嘴轴向)及电极中心到喷口的轴向距离L。4个方案关键参数如表1所示。

表1 4个方案关键参数

1号与3号对比，可观察电极宽度这一技术指标对静电效果的影响；2号与3号对比，可观察电极中心到喷口的轴向距离这一技术指标对静电效果的影响；3号与4号对比，可观察电极形式这一技术指标对静电效果的影响。

以上3个技术指标再加上2mm和2.5mm两种不同的绝缘层厚度，共8种不同的静电罩方案，可对高压静电电极的影响因素做一个较为全面的试验研究。

2.2 试验设置及步骤

本试验使用如图4所示的荷质比测量系统，该系统采用将网状目标法与法拉第筒法相结合的方式。

其中，高压静电发生器与荷电装置高压线连接，为其提供高压；直流高压测量仪与高压静电发生器输出端相连，测量其输出高压；精密皮安表与法拉第筒金属外壳连接，测量法拉第筒收集到的荷电雾滴产生的电流信号I，由ExcelLinks软件制作数据表格；液化雾滴由底部烧杯收集，并利用精密天平对收集到的液体称重。

具体试验操作步骤如下：

1)将喷头固定于法拉第筒内截流网前20cm处，且使其喷雾轴线垂直于截流网中心，连接喷雾管路，调节精密微安表，并设置Excellinks软件的相关参数。

2)调节高压静电发生器，并观察直流高压测量仪，将高压静电电压先后调整到0、1、2、3、4、、5kV；将喷雾压力先后调节到0.2MPa和0.3MPa，并开始喷雾。

3)在每种电压-压力工况下，点击Excellinks软件开始按钮，采集雾滴放电电流值。20s后关闭喷雾系统，并点击Excellinks软件结束按钮。

4)用精密天平对该时间段收集的液体进行称重，依据放电电流值与液体质量算得雾滴的荷质比。

5)改变电压-压力工况，继续试验。

1.计算机 2.Keithley 6485皮安表 3.Chroma HV METER 900B直流高压测量仪

2.3 试验结果分析

在试验环境温度(20±1)℃、相对湿度70%的条件下，对8种不同的静电罩方案进行试验研究，水压设定范围为0.2、0.3MPa，高压静电电压设定范围为0～5kV。对试验数据进行处理，将得到的试验结果分为高压电极技术参数和绝缘层厚度两大块进行对比分析。

2.3.1 高压电极技术参数

本试验选用的高压电极技术参数包括电极形式、电极宽度(喷嘴轴向)和电极中心到喷口的轴向距离。将绝缘层厚度为2.5mm的4种方案的试验结果进行统计，如表2所示。

表2 0.3、0.2MPa绝缘层厚度2.5mm的荷质比

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

压力/MPa高压静电电压/kV荷质比/mc·kg-11号(大宽仿形)2.5mm2号(小细仿形)2.5mm3号(大细仿形)2.5mm4号(大细圆形)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

将4种方案的荷电效果进行对比，对比结果如图5、图6所示。

图5 在0.3MPa绝缘层厚度2.5mm的荷质比

图6 在0.2MPa绝缘层厚度2.5mm的荷质比

由图5、图6可知：4种高压电极方案中除了2号方案基本无荷电效果外，1号、3号、4号方案在水压0.2MPa或0.3MPa下，雾滴荷质比均随电压的增大而增大。在高压电压在0～3kV范围内变化时，荷质比随电压增大的幅度较小；当高压电压调至4、5kV时，电压的增大对雾滴荷质比的影响十分明显，雾滴荷电量大幅度提高。

由图5、图6可知：1号方案荷电效果明显优于3号方案，且在电压5kV时荷质比高出3号方案1倍多，为增宽电极宽度(喷嘴轴向)有利于提高荷电效果这一理论结果提供了试验依据。2号方案基本无荷电效果，而3号方案符合荷质比随电压增大的趋势，且在电压5kV处达到0.15～0.2mc/kg，3号方案荷电效果明显优于2号方案，为雾滴荷电效果与电极中心到喷口的轴向距离正相关这一理论结果提供了试验依据；但距喷嘴处较远时，喷雾发散及飞溅现象较为严重且电极过大，反而不利于雾滴荷电效果的提高，因而电极中心到喷口的最佳轴向距离有待于进一步的试验研究。3号方案与4号方案荷质比均随电压增大而增大，且两个方案的荷质比折线图部分交叉；但总体来看，3号方案荷电效果略微优于4号方案，因而通过试验研究得到了仿形电极荷电效果优于圆环形电极这一结论。

2.3.2 电极定位装置厚度

取荷电效果较为明显的1号，将其在绝缘层厚度分别为2mm(5号)、2.5mm(1号)下的荷电效果进行统计，如表3所示。

将其荷电效果进行对比，图7为其在水压0.3MPa下荷质比的对比图，图8为其在水压0.2MPa下荷质比的对比图。

表3 1号在0.3、0.2MPa下不同绝缘层厚度的荷质比

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

压力/MPa高压静电电压/kV荷质比/mc·kg-11号(大宽仿形)2.5mm5号(大宽仿形)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

对图7、图8分析可知：绝缘层厚度分别为2.5、2mm的1号、5号的荷质比均随电压增大而增大，但当电压提升到4kV时，在0.2MPa水压下，5号所加高压无法稳定；当电压提升到5kV时，在0.2、0.3MPa下，5号所加高压均无法稳定。在电压可调范围内，1号与5号雾滴荷质比差别并不明显。对其它方案在不同绝缘层厚度下的荷质比大小进行对比分析，也得出了相同的结论。

本试验绝缘层厚度的差别并不大，因而有待进一步提高绝缘层厚度差，对该因素进行进一步的试验研究。

图7 0.3MPa水压下1号、5号的荷质比

图8 0.2MPa水压下1号、5号的荷质比

3 结论

1)高压电极的电极形状、电极宽度和电极中心到喷口的轴向位置对雾滴荷质比的大小有着显著的影响。仿形电极的荷电效果明显优于圆环形电极，电极宽度、电极中心到喷口的轴向距离与雾滴荷质比正相关。

2)绝缘层厚度分别为2、2.5mm时对雾滴荷质比大小的影响十分微小，下一步工作将进一步提高厚度差并对其进行试验研究。

3)在高压电极的3个技术参数中，对雾滴荷质比的影响最为显著的技术参数是电极宽度(喷嘴轴向)，其次是电极中心到喷口的轴向距离，电极形状对雾滴荷质比的影响最小。

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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

江苏省农业科技支撑计划项目(BE2013401)；江苏高校优势学科建设工程项目(苏政办([2014])37号)；公益性行业(农业)科研专项(201503130)；镇江市科技支撑计划项目(NY2014030)

宋 琦(1993-),男，河南信阳人，硕士研究生，(E-mail) sq12369123@163.com。

魏新华(1972-)，男，山东滨州人，研究员，博士生导师，(E-mail)wei_xh@126.com。

S49；S220.3

A

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