旋杯式靜電霧化荷電特性的試驗

王軍鋒，儲進靜，霍元平，范亞駿

(江蘇大學能源與動力工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

利用噴霧器噴灑藥液是當前防治農作物病蟲害使用最廣、見效最快的方法.其中離心霧化將液體噴射到一個旋轉平面(轉盤、旋杯等)上，在離心力的作用下均勻地向四周散布.其噴嘴不易堵塞且霧滴粒徑分布均勻，可以通過調節(jié)旋轉轉速和供液流量控制霧滴粒徑，達到對不同農作物病蟲害的防治，然而離心霧化在應用過程中面臨霧化霧滴穿透能力弱、目標物背面藥液沉積量少等問題［1］.荷電噴霧技術是指液體經(jīng)過電暈、感應或者接觸荷電后，在機械力或者氣動力及電場力的共同作用下產生荷電霧滴，從而形成荷電氣霧兩相流［2-3］.荷電液滴與目標物表面的反向電荷之間形成一種靜電引力，在靜電引力的作用下霧滴向靶標表面作定向運動，能夠有效地提高霧滴在目標物正反表面的覆蓋率和均勻度［4-5］.為了解決離心霧化在實際應用中存在的問題，將荷電噴霧技術應用到離心霧化體系中，提出了一種新型、高效的離心式荷電霧化技術.國外已有一些學者對這種霧化技術進行探索性研究.W.Balachandran等［6］基于波理論，得出荷電與提高轉速一樣能使旋杯邊緣擾動波波長減小，由此解釋了隨著荷電電壓的增加，液絲之間的距離越來越小的試驗現(xiàn)象.M.Sato［7］認為荷電能使霧化液滴分布更均勻.為了促進這種霧化技術的高效應用，筆者首先就荷電對旋杯式靜電霧化機理及荷電性能的影響進行深入系統(tǒng)研究.基于旋杯式離心霧化技術和靜電霧化技術在藥液噴灑過程中的優(yōu)勢，設計一種旋杯式靜電霧化裝置.對霧化液滴的荷電性能進行試驗，結合高速數(shù)碼攝影技術探討荷電對霧化機理及特性的影響規(guī)律.

1 試驗裝置及方法

針對旋杯式離心霧化，采用感應荷電方式，建立旋杯式靜電霧化試驗系統(tǒng)，結合高速攝影技術和顯微放大圖像處理技術，對旋杯式靜電霧化機理、霧化特性及霧化液滴的荷電性能進行可視化試驗研究.

1.1 試驗裝置

圖1，2分別為旋杯式靜電霧化系統(tǒng)及荷電性能試驗系統(tǒng)，主要由霧化裝置、供液系統(tǒng)及測試系統(tǒng)組成.霧化裝置主要由旋杯、電極環(huán)、電動機和直流電動機調速器構成.旋杯經(jīng)轉軸、聯(lián)軸器與電動機連接，其轉速可以通過直流電動機調速器控制.供液系統(tǒng)由水箱、微型泵、玻璃轉子流量計和管道等組成，試驗過程中，液體經(jīng)管道流入轉杯中.泵送介質為自來水.供液流量調節(jié)范圍為1.6～16.0 L·h-1.

圖1中測試系統(tǒng)包括高速數(shù)碼相機、顯微變焦鏡頭和計算機等.試驗中采用高速數(shù)碼相機配合顯微變焦鏡頭對旋杯邊緣霧化過程進行微距拍攝，拍攝光源為LED冷光源，與高速數(shù)碼相機放置在同一側.試驗以7 500，15 000幀·s-1分別拍攝1 000～4 000 r·min-1和 5 000 ～9 000 r·min-1下旋杯邊緣的霧化過程.利用Matlab圖像處理技術對高速數(shù)碼相機拍攝的圖片進行處理.圖2中測試系統(tǒng)包括量杯、吉時利6485型皮安表和秒表等.試驗采用目標網(wǎng)狀法測量液滴的荷質比，法拉第筒與旋杯同軸放置，并通過屏蔽導線與皮安表相連.當荷電液滴與銅絲網(wǎng)或法拉第筒接觸后會與大地形成回路，并產生微電流，用精密皮安表讀出此電流，計算得到荷質比.

圖1 旋杯式靜電霧化試驗臺

圖2 荷電性能測試試驗臺

1.2 試驗方法

試驗中利用玻璃轉子流量計控制水的流量，用高壓靜電發(fā)生器控制所加荷電電壓.測試過程中確定一段時間內微電流的數(shù)值是準確計算荷質比的關鍵，在不同的荷電電壓下，2 min內讀取10次電流值，每次試驗完畢后充分放電，重復做5次，然后進行平均計算.將量杯放置在法拉第筒尾端，待噴霧穩(wěn)定后，讀取2 min內法拉第筒收集到的水.荷質比為

式中:Q為霧滴的荷電電荷量;I為釋放電流強度;t為測量時間;m為霧滴群質量.

為研究荷電對旋杯霧化機理及荷電性能的影響，首先需要選擇合理的荷電方式，對于象水這類電導率很高的流體，感應荷電是所有荷電方式(接觸荷電、電暈荷電、感應荷電)中常被采用的［8］.試驗使用的荷電旋杯如圖1所示，旋杯采用絕緣材料制成，其外徑為6.0 cm，內徑為5.6 cm，電極環(huán)直徑為5.0 cm.試驗中電極環(huán)接負高壓，轉軸(銅管)接地并在旋杯邊緣處設置銀粉環(huán)與轉軸導通，可在電極環(huán)及銀粉環(huán)之間形成強電場.

2 試驗內容和結果分析

2.1 旋杯式靜電霧化荷電性能

噴霧所產生液滴的荷電性能主要取決于電極材料、荷電方式、電極形狀及流體的物性.試驗采用感應荷電方式，有學者指出為了提高感應荷電的效率，在霧滴的形成時間內流體中的電荷必須得到充分的移動，即流體的荷電弛豫時間τ必須小于霧滴的形成時間tf.水的荷電弛豫時間［9］為

式中:εwater為水的介電常數(shù);εair為空氣的介電常數(shù);γwater為水的電導率;γair為空氣的電導率.

絲狀分裂模式下霧滴形成時間［10］為

式中:n為旋杯轉速;r為旋杯半徑;L為液絲長度，是旋杯邊緣到液絲末端液滴形成處的長度.

由于霧滴的形成時間與旋杯轉速成反比，因而選取旋杯轉速為7 000 r·min-1時霧滴的平均形成時間，此時tf約為7.4×10-5s，霧滴形成時間比荷電弛豫時間要長很多，因此在所有的試驗工況下水都能夠充分荷電.

感應荷電液滴所帶電荷量的多少與射流自由端(本試驗射流自由端為液帽或液絲末端)表面電荷密度呈正比關系.射流自由端表面電荷密度與此處電場及自由端幾何形狀有關:射流自由端處電場越強，表面電荷密度越高;在相同的靜電場中射流自由端曲率越大的地方表面電荷密度也越高［11］.

流量為4 L·h-1，轉速由 1 000 r·min-1提高到7 000 r·min-1時荷質比的變化規(guī)律如圖3a所示，隨著轉速的提高，荷質比及其增長速率不斷增加.結合圖3b-d顯微放大圖片可以看出:轉速為1 000 r·min-1時，霧滴的形成模式為滴狀分裂，此時旋杯邊緣液帽直徑較大，形成的液滴粒徑也較大，霧化液滴的荷質比較低;隨著轉速的提高，轉速為4 000 r·min-1時，滴狀分裂向絲狀分裂過渡，此時旋杯邊緣液絲直徑變小，荷質比及其增長率增加;當轉速達到7 000 r·min-1時，霧滴的形成模式基本為絲狀分裂模式，此時旋杯邊緣液絲直徑進一步減小，荷質比及其增長率進一步增加.

圖3 轉速對荷質比的影響

分析荷質比的影響因素，根據(jù)靜電場中場強與等位面曲率的關系:

式中:ρs為表面電荷密度;c為常數(shù);ε0為導體介電常數(shù);E為某點處場強;H0為某點處的曲率.

對比不同轉速下未荷電時旋杯邊緣液帽液絲數(shù)，試驗結果如圖4所示，未荷電時旋杯邊緣液帽液絲數(shù)與荷電后荷質比增長速率基本呈正比關系，其中荷質比增長速率為荷質比與荷電電壓的比值.隨著轉速的增加，旋杯邊緣液帽數(shù)逐漸增加，相應的液帽或液絲直徑則越來越小，液帽或液絲末端曲率H0越來越大.

圖4 荷質比增長率及液帽數(shù)與轉速的關系

從式(4)可以看出H0的增大使得表面電荷密度ρs隨著E的增長率變大，又由于液帽表面電荷密度與霧化液滴的荷質比成正比關系，可以認為H0的增大使得荷質比及其增長率增加，即不同轉速下未荷電時旋杯邊緣液帽或液絲直徑大小決定荷電后荷質比的大小及其增長速率的快慢.

2.2 旋杯式靜電霧化機理及特性

2.2.1 荷電對旋杯霧化霧滴粒徑的影響

旋杯霧化霧滴的形成機理如圖5所示，旋杯式離心霧化液滴的形成是由旋杯邊緣凸起的液帽受離心力Fc和表面張力Fs共同作用的結果.

圖5 旋杯霧化霧滴的形成機理

當離心力大于表面張力時，液帽的附著狀態(tài)被破壞，液帽被拉長繼而破碎成液滴，因而液滴破碎的臨界條件為Fc=Fs［12］.這里Fc= πρrd3n2/6，F(xiàn)s=πσd，將Fc和Fs代入臨界條件中可得

式中:ρ為流體密度;d為霧滴粒徑.

不同We下表面張力σ與霧滴粒徑平方d2的關系如圖6所示.

由圖6可以看出:在We＜1.0×105時，σ的減小使得d2有明顯的減小;隨著We的增大，σ的改變對d2的影響越來越小;當We＞2.0×105時，σ的改變對d2的影響較小.

圖6 表面張力與霧滴粒徑之間的關系

不同We數(shù)下荷電對索特爾平均粒徑的影響如圖7所示，在We＜1.0×105時，隨著荷電電壓的增加，霧滴粒徑有明顯的減小，We=6.4×104時，霧滴粒徑減小了近1/5;當We=1.0×105，霧滴粒徑稍有減小，此時霧滴粒徑減小了近1/10;當We＞2.0×105時荷電電壓對霧滴粒徑的影響減小.這是由于對于感應荷電的離心式旋杯霧化，在形成液滴的液帽或液絲末端表面會積聚大量的電荷，由于庫倫斥力的作用使得此處流體表面張力削弱，因而增加荷電電壓可以使得液滴形成處流體的表面張力σ相對減小.結合圖6所示表面張力σ對霧滴粒徑d2的影響規(guī)律，可以得出:在We＜1.0×105時，增加荷電電壓使得索特爾平均粒徑d有明顯的減小;當We＞2.0×105時，增加荷電電壓對索特爾平均粒徑d的影響較小.

圖7 荷電電壓與索特爾平均粒徑之間的關系

2.2.2 荷電對霧滴分裂模式的影響

當We為4.0×103～6.4×104時，旋杯邊緣的分裂模式以滴狀分裂為主.通過對高速數(shù)碼相機拍攝圖片的處理，得出荷電電壓對滴狀分裂模式下旋杯邊緣液帽和液絲數(shù)的影響(這里液絲是指旋杯邊緣射流液柱的長度大于10倍霧滴粒徑)如圖8所示，隨著荷電電壓的增加旋杯邊緣液帽數(shù)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，而圖9所示的液絲數(shù)則逐漸增加.

圖8 荷電電壓對液帽數(shù)的影響

圖9 荷電電壓對液絲數(shù)的影響

圖10 荷電對分裂過程的影響

試驗發(fā)現(xiàn)此工況下荷電能改變霧滴的形成模式，We為3.6×104時荷電對旋杯霧化過程的影響如圖10所示，在1 kV時荷電使得旋杯邊緣擾動波波數(shù)增加，液帽數(shù)也隨之增加，而當荷電電壓提高到3 kV液帽表面電荷密度達到一定值時，液帽頂端變小，液帽會逐漸拉長并向液絲轉變.在流量一定的條件下，由于液帽拉長，液帽附近不會受擾動波的影響而形成新的液帽.因而在達到一定電壓后液帽數(shù)又會呈現(xiàn)減小的趨勢，液絲數(shù)不斷增加，在液絲不斷增加的過程中，液滴的分裂模式即由滴狀分裂模式逐漸向絲狀分裂模式轉變，液滴粒徑逐漸減小，分布更加均勻.

荷電對霧滴粒徑分布的影響如圖11所示.當We大于1.0×105時，霧滴粒徑分布如圖11a所示，結合圖11b顯微放大圖可以看出:此時霧滴的分裂模式以絲狀分裂為主，增加荷電電壓對旋杯式離心霧化過程的影響減弱，主要改善了粒徑分布的均勻性.這是由于高We數(shù)下旋杯邊緣流體所受的離心力增大，使得此時離心力在液滴分裂過程中占主導地位，表面張力的削弱對液滴分裂過程的影響不再明顯.又由圖3可知此時霧化液滴的荷質比得到大幅度提高，液滴的高荷電量有利于維持液滴的單分散性、粒徑分布均勻性及沉積分布均勻性.

圖11 荷電對霧滴粒徑分布的影響

3 結論

1)旋杯式靜電霧化霧滴的荷電性能與旋杯邊緣液帽或液絲直徑大小有關.液帽或液絲直徑越小，霧化液滴的荷質比及其增長速率越大.

2)當We＜6.4×104時，滴狀分裂模式下，增加荷電電壓，旋杯邊緣液帽數(shù)先增加后減小，在液絲數(shù)逐漸增加的過程中，滴狀分裂模式逐漸向絲狀分裂模式轉變.

3)當We＜1.0×105時，荷電電壓對霧化液滴的索特爾平均粒徑影響較大，增加荷電電壓，霧滴索特爾平均粒徑明顯減小;當We＞1.0×105時，增加荷電電壓對索特爾平均粒徑及霧化過程的影響減弱，然而此時霧化液滴的高電荷量則有利于維持液滴單分散性、粒徑分布均勻性及沉積分布均勻性.

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