風(fēng)送式靜電噴霧機(jī)的研究現(xiàn)狀分析與展望

王佳麗，馬佳樂，張永成，張 宏※

（1.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

長期以來，使用手動(dòng)施藥機(jī)械施藥仍是我國主要的施藥手段，這類傳統(tǒng)類型的施藥方式農(nóng)藥使用效率非常低，僅有15%～20%的農(nóng)藥作用在果樹上，80%～85%的農(nóng)藥流失到環(huán)境中，導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染、資源浪費(fèi)以及農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留[1]。此外，傳統(tǒng)的果園施藥方式勞動(dòng)強(qiáng)度大，防治不及時(shí)會(huì)發(fā)生病蟲害復(fù)發(fā)現(xiàn)象，果農(nóng)不得不增加施藥劑量及施藥次數(shù)。這不僅會(huì)導(dǎo)致使病蟲害防治惡性循環(huán)，還會(huì)導(dǎo)致病蟲害的抗藥性增強(qiáng)等問題[2]。

風(fēng)送式果園噴霧機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)手持噴槍在果園中施藥，藥液的利用率提高到30%～40%[3]。風(fēng)送噴霧產(chǎn)生的霧滴粒徑較小且穿透性強(qiáng)，在風(fēng)力的輔助作用下枝葉攪動(dòng)大，霧滴順利進(jìn)入果樹冠層，操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度大幅降低。然而受環(huán)境等因素的影響，風(fēng)送式噴霧機(jī)在果園作業(yè)過程中連續(xù)噴霧形成的很多細(xì)小霧滴非常容易飄移擴(kuò)散，為了減少霧滴的飄移，將靜電噴霧技術(shù)和風(fēng)送噴霧技術(shù)相結(jié)合。靜電噴霧產(chǎn)生的荷電霧滴在氣流曳力和電場(chǎng)力共同影響下，可增加藥液沉積量和沉積均勻性[4]。

1 風(fēng)送式靜電噴霧的原理與特點(diǎn)

1.1 原理

農(nóng)藥靜電噴霧技術(shù)的基本原理：噴嘴具有正或負(fù)的高壓靜電，使其噴出帶有與其極性相同電荷的霧滴。由于離地面不遠(yuǎn)的噴嘴帶有高壓電，地面上的目標(biāo)表面將帶有與噴嘴極性相反的電荷，農(nóng)藥液體流經(jīng)噴頭霧化后，通過不同的充電方式被充上電荷，形成群體荷電霧滴，然后在靜電場(chǎng)力作用下，霧滴按靜電場(chǎng)軌跡作定向運(yùn)動(dòng)而吸附在目標(biāo)的各部位，達(dá)到沉積效率高、霧滴飄移散失少、改善生態(tài)環(huán)境等良好性能，是現(xiàn)代植保施藥的一項(xiàng)新技術(shù)。目前靜電噴霧主要采用三種充電方式（圖1）。

圖1 靜電噴霧的充電方式

電暈式充電法：電暈充電法是高壓電源尖端電極放電，電離周圍的空氣，使霧滴帶上電荷。雖然高壓絕緣性好，能直接在普通噴頭上應(yīng)用，操作簡單，但其電極電壓很高，危險(xiǎn)性較大。

感應(yīng)式充電法：感應(yīng)式充電法是在藥液管路與噴嘴之間放置一環(huán)狀電極，電源直接與電極相連產(chǎn)生電場(chǎng)，使噴出的霧滴被附上電荷。電極電壓很低，藥液箱體不用絕緣，這種方法使用相對(duì)較多。

接觸式充電法：接觸式充電法是藥液管路與高壓電源正極直接連接，霧滴被充電。接觸式充電的霧滴充電效果較好，但是絕緣性能差，應(yīng)用較少。

1.2 特點(diǎn)

（1）在靜電力和氣流曳力共同作用下，增加了霧滴在葉背的沉積量，提高了農(nóng)藥的利用率。

（2）風(fēng)送噴霧遵循置換原則，對(duì)果樹冠層的攪動(dòng)大，增強(qiáng)了荷電霧滴的穿透性。

（3）靜電噴霧所用的藥量更少，產(chǎn)生的霧滴直徑小，一定程度上減少了用水量。

（4）靜電噴霧明顯降低了風(fēng)送噴霧造成的霧滴飄移；霧滴分布均勻。

（5）荷電后的霧滴表面張力減小，霧化阻力變小，霧化程度提高，植株對(duì)霧滴的吸附性提高[5]。

2 國外研究現(xiàn)狀

2.1 風(fēng)送靜電噴霧技術(shù)影響因素的研究

Dipak 等研究發(fā)現(xiàn)電極電壓和噴霧距離對(duì)荷質(zhì)比有很大影響，在噴霧距離為5mm處電極電壓為5 kV時(shí)測(cè)得最大的荷質(zhì)比[6]。Patel等根據(jù)研究分析得出電極所用材料、形狀和幾何規(guī)格等變量對(duì)于荷質(zhì)比有很重要的影響。研究發(fā)現(xiàn)最佳電極位置在距離噴嘴尖端2.0～3.0 mm之間時(shí)可以獲得最高的荷質(zhì)比[7]。Patel 等設(shè)計(jì)研制了一種氣助的靜電噴管并從電極位置和液體電導(dǎo)率兩方面對(duì)自行設(shè)計(jì)研制的靜電噴管的性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，結(jié)果表明電極位置的微小調(diào)整對(duì)噴霧系統(tǒng)的效率的影響十分顯著[8]。Pascuzzi 等使用150RB14 型三點(diǎn)懸掛式氣動(dòng)靜電噴霧機(jī)（圖2）進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在不同的行進(jìn)速度下霧滴在冠層內(nèi)的沉積沒有很大的變化。但是噴霧距離對(duì)噴霧沉積影響很大，冠層下部的沉積量增加了50%，而上層只增加了12.5%[9]。Guo 等研究了霧滴屬性、界面力和靜電力之間的關(guān)系，研究結(jié)果表明不同的靶標(biāo)截面會(huì)有不同的吸附效果，靶標(biāo)截面紋理方向?qū)﹄娬掣搅Φ膶?shí)現(xiàn)起著重要作用[10]。

圖2 150RB 型氣動(dòng)靜電噴霧機(jī)

影響風(fēng)送靜電噴霧技術(shù)的因素很多。荷電霧滴沉積機(jī)理及其影響因素分析是研究熱點(diǎn)，但目前主要以荷質(zhì)比為指標(biāo)研究荷電參數(shù)對(duì)沉積的影響?；诃h(huán)境參數(shù)、靶標(biāo)參數(shù)和工作參數(shù)的荷電霧滴沉積及影響機(jī)理研究相對(duì)較少，很多影響因素仍需進(jìn)一步研究確認(rèn)。

2.2 風(fēng)送噴霧技術(shù)與靜電噴霧技術(shù)結(jié)合對(duì)霧滴沉積效果的影響研究

Sharp 將靜電噴霧技術(shù)和風(fēng)送噴霧技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在氣流的影響下噴霧產(chǎn)生的細(xì)小荷電霧滴在向上運(yùn)動(dòng)的過程中出現(xiàn)相互排斥的現(xiàn)象，這反而使霧滴的飄移增加，因此風(fēng)送靜電噴霧技術(shù)沒有被廣泛推廣應(yīng)用。Western 等在較為理想的試驗(yàn)條件下進(jìn)行霧滴飄移測(cè)試試驗(yàn)并使用特定電荷液滴的配方，該研究表明在合適有效的氣流控制下可以大大降低荷電液滴的高漂移勢(shì)。Patel 等發(fā)現(xiàn)氣流對(duì)荷電噴霧有顯著影響，由外部空氣輔助系統(tǒng)產(chǎn)生的氣流場(chǎng)會(huì)影響噴霧的覆蓋范圍[11]。Gan-Mor 等將傳統(tǒng)液壓噴嘴改進(jìn)成靜電噴嘴，安裝在噴霧機(jī)上（圖3），并在葡萄園做田間測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，帶電液滴在葡萄葉片下表面的沉積量是不帶電液滴的2倍，在葡萄串珠背面的沉積量是不帶電液滴的5 倍[12]。Cerqueira 等在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)與常規(guī)的噴霧技術(shù)相比，空氣輔助靜電噴霧系統(tǒng)在葉片背面的沉積量更多，且對(duì)作物冠層的穿透性更強(qiáng)[13]。Patel 等研制了一種手持式空氣輔助靜電中草藥噴霧器并進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明在空氣輔助的作用下，噴霧的整體沉積效果很好，對(duì)目標(biāo)能產(chǎn)生很好的環(huán)抱效果[14]。

圖3 葡萄園噴霧機(jī)

合理地控制氣流可以減少荷電霧滴的高飄趨勢(shì)，在不同的氣流速度和軌跡下，噴霧覆蓋的范圍會(huì)受到相應(yīng)影響。減少霧滴飄移使農(nóng)藥的施藥量下降，減輕了對(duì)環(huán)境的污染。在氣流和靜電力的共同作用下，葉面背部的藥液沉積量明顯提高，對(duì)葉面背部的病蟲害起到防治作用。在氣流的作用下改善了靜電噴霧的霧滴穿透性不強(qiáng)的缺點(diǎn)，在農(nóng)作物冠層頂部、中部和底部可以具有更好的沉積效果，農(nóng)藥的利用率得到提高。

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

中國對(duì)靜電噴霧技術(shù)的分析研究開始于20 世紀(jì)70年代。江蘇大學(xué)、南京林業(yè)大學(xué)和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)最早開展了對(duì)靜電噴霧技術(shù)的分析研究。目前國內(nèi)的研究主要集中在風(fēng)送靜電噴霧技術(shù)的參數(shù)優(yōu)化和噴霧效果等方向。

3.1 風(fēng)送式靜電噴霧機(jī)的參數(shù)優(yōu)化研究

周良富等利用正交試驗(yàn)和響應(yīng)面分析法，分析研究感應(yīng)電壓、噴霧距離、氣流速率與噴霧壓力對(duì)霧滴覆蓋率的影響。該研究分析為風(fēng)送靜電噴霧機(jī)的綜合設(shè)計(jì)和工作參數(shù)選用提供了參考依據(jù)[15]。楊洲等研究分析了不相同側(cè)風(fēng)與靜電工作電壓對(duì)靜電噴霧霧滴飄移的影響作用基本規(guī)律[16]。該研究為減少霧滴飄移性和噴霧技術(shù)參數(shù)優(yōu)化提供了參考。周良富等為測(cè)試3WQ－400 型雙氣輔助靜電果園噴霧機(jī)（圖4）的噴霧效果進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明噴霧機(jī)行進(jìn)速度是影響霧滴沉積的重要因素，Ⅱ檔和Ⅳ檔的行進(jìn)速度下靜電噴霧的葉片背面霧滴覆蓋率提高，葉片正面無明顯變化甚至低于非靜電噴霧[17]。尹潤蓉等以風(fēng)送輔助靜電噴霧為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種適用于果園的新型實(shí)時(shí)混藥靜電噴霧機(jī)。該機(jī)混藥均勻性和穩(wěn)定性均高于傳統(tǒng)噴霧機(jī)，無冠層內(nèi)和冠層內(nèi)霧滴在靶標(biāo)正反面附著率均高于傳統(tǒng)噴霧機(jī)[18]。王士林等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在相同靜電電壓和靜電電極的情況下噴霧油劑沉積量比水的沉積量更均勻，但油劑的荷質(zhì)比卻比水的荷質(zhì)比小[19]。

圖4 葡萄園噴霧機(jī)

對(duì)于噴霧機(jī)參數(shù)優(yōu)化的研究主要集中在研究作業(yè)參數(shù)和荷電參數(shù)對(duì)噴霧沉積的影響以及氣流對(duì)荷電霧滴沉積的影響?；诃h(huán)境參數(shù)、靶標(biāo)參數(shù)和工作參數(shù)的荷電霧滴沉積及影響機(jī)理研究相對(duì)較少。

3.2 風(fēng)送式靜電噴霧機(jī)噴霧效果的研究

王志強(qiáng)研制了可與部分拖拉機(jī)配套的、適于葡萄園作業(yè)的氣力霧化風(fēng)送式果園靜電彌霧機(jī)并在果園進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明氣力霧化與靜電噴霧技術(shù)結(jié)合提高了霧滴在靶標(biāo)上的沉積量，增強(qiáng)了霧滴的穿透性，減少了農(nóng)藥的飄移[20]。邱威等設(shè)計(jì)了一種適用于溫室的風(fēng)幕式靜電施藥設(shè)備（圖5），試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)出風(fēng)口風(fēng)速達(dá)25 m/s 時(shí)，噴霧的沉積率達(dá)到最佳狀態(tài)。與傳統(tǒng)施藥方法相比，風(fēng)幕式靜電施藥設(shè)備的霧滴穿透性更強(qiáng)，每張葉片上的噴霧均勻性更好[21]。周良富等結(jié)合氣助噴霧技術(shù)和靜電設(shè)計(jì)了一種可應(yīng)用于風(fēng)送靜電噴霧的雙氣流道輔助靜電噴頭，測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)噴霧距離在1 m 內(nèi)時(shí)靜電噴霧比非靜電噴霧在葉片背面的覆蓋率提高15%（圖6）[22]。賈衛(wèi)東等構(gòu)建了風(fēng)幕式氣力輔助靜電噴桿噴霧的測(cè)試試驗(yàn)應(yīng)用平臺(tái)，并且展開霧滴飄移的測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果表明風(fēng)幕有效地減少了液滴向外的水平方向運(yùn)動(dòng)，沉積更加均勻，風(fēng)幕作用下霧滴沉積分布更加靠近噴霧中心區(qū)域。這種影響規(guī)律在荷電噴霧流場(chǎng)中更加明顯[23]。

圖5 溫室風(fēng)幕式噴霧機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

圖6 雙氣流道輔助靜電噴頭霧滴沉積測(cè)試

該類噴霧機(jī)的設(shè)計(jì)可達(dá)到更好的噴霧效果，減少環(huán)境的污染和水資源的使用，提高了農(nóng)藥的利用率。

3.3 風(fēng)送噴霧技術(shù)與靜電噴霧技術(shù)相結(jié)合在其他方面的應(yīng)用

姜甜等利用靜電噴霧技術(shù)干燥新型微囊化益生菌，研究表明進(jìn)風(fēng)溫度為80 ℃，靜電電壓為25 kV 時(shí)，菌類的存活率可達(dá)到89.26%，與常規(guī)干燥和乳化冷凍干燥相比，靜電干燥的效果更好[24]。張姚文設(shè)計(jì)了一種靜電噴霧旋風(fēng)除塵系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)于裝置的降塵率有顯著影響，入風(fēng)口的風(fēng)速對(duì)降塵率也有顯著影響，風(fēng)速提高降塵率會(huì)增加，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到12 m/s 時(shí)降塵率最高，風(fēng)速過高反而會(huì)降低降塵率[25]。

靜電噴霧干燥是一種新型微囊化技術(shù)，包埋效果顯著，在新型微囊化技術(shù)方面將會(huì)有廣闊的發(fā)展前景。靜電噴霧除塵技術(shù)應(yīng)用于旋風(fēng)器可以提高對(duì)細(xì)顆粒物的脫除效率，如何提高其對(duì)細(xì)顆粒物的脫除效率對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中控制細(xì)顆粒物排放有著重要意義，將靜電噴霧除塵技術(shù)應(yīng)用于旋風(fēng)器有著廣闊的前景。

4 存在的問題與展望

4.1 存在問題

（1）霧滴荷電持續(xù)的時(shí)間短，因此需要合理匹配輸運(yùn)氣流速度和噴霧距離。荷電持續(xù)的時(shí)間與環(huán)境參數(shù)和霧滴屬性有關(guān)，這些條件在實(shí)際工作環(huán)境中難以控制。

（2）環(huán)境參數(shù)、作業(yè)參數(shù)、靶標(biāo)參數(shù)等對(duì)荷電霧滴沉積效率的影響機(jī)理尚不清晰明確，各參數(shù)對(duì)霧滴沉積的高敏感性及農(nóng)藥應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用對(duì)象的復(fù)雜性是靜電噴霧技術(shù)應(yīng)用的巨大挑戰(zhàn)。

（3）使用接觸式充電法時(shí)，靜電電壓會(huì)達(dá)到24 kV，絕緣層易被高壓擊穿造成漏電，危及人身安全。此外，藥液很容易粘附在噴頭處和機(jī)具上，引起短路或高壓擊穿從而喪失靜電效果。

4.2 展望與建議

（1）對(duì)荷電參數(shù)、噴霧氣流進(jìn)行研究，加大充電電壓，增加霧滴的荷電量，確保帶電霧滴到達(dá)靶標(biāo)時(shí)具有有效荷電量。

（2）加深荷電霧滴沉積機(jī)理研究。研究霧滴屬性、環(huán)境參數(shù)、靶標(biāo)參數(shù)、作業(yè)參數(shù)對(duì)于荷電霧滴沉積特性的影響，找出影響荷電霧滴沉積的最主要參數(shù)。

（3）風(fēng)送式靜電噴霧作業(yè)過程中，影響噴霧效果的因素很多，如霧滴的荷電量、霧滴的霧化程度、環(huán)境因素、標(biāo)靶等，因此還需對(duì)上述影響因子展開逐漸深入的分析研究。靜電噴霧技術(shù)在應(yīng)用時(shí)仍有一些需要注意的地方，例如高壓靜電發(fā)生器產(chǎn)生的工作電壓比較高，在設(shè)計(jì)機(jī)具時(shí)就要注意絕緣材料的問題，操作人員也應(yīng)具備相應(yīng)的實(shí)際操作知識(shí)技能。