感应充电气力式静电喷头研究
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摘要
针对国内静电喷头目前存在的喷雾射程较短、漏电和反向电离现象较严重等问题，研制了一种感应充电气力式静电喷头，并对其工作原理和关键结构进行了理论探讨，通过性能试验及统计分析研究了该喷头气体压力和流量、液体压力和流量、充电电压、喷孔直径等参数对雾化质量及荷电性能的影响，研究结果表明：(1)试验测得的雾滴体积中径VMD在20μm至45μm之间，雾滴均匀度DR均大于0.67，表明该喷头的喷射雾流具有较小的雾滴尺寸和较理想的均匀度；(2)雾滴体积中径模型显著，因此可用雾滴体积中径模型描述雾滴体积中径与气体压力、气体流量、液体压力、液体流量、喷孔直径、充电电压等因素的关系，且具有较高的预测精度；(3)按影响雾滴体积中径的重要性程度，因素排序依次为气体压力、液体压力、液体流量、气体流量、充电电压和喷孔直径；气体压力和液体压力是影响雾滴体积中径大小的主导因素，与雾化质量之间具有极强的相关性；充电电压、喷孔直径和气体流量对雾滴体积中径无显著影响，这一特点为采用较少参数控制雾化质量提供了有利前提；(4)充电电压、气体压力、喷头类型三者之间的交互作用均不显著，说明三个因素对雾滴体积中径的作用具有相对独立性，可相对独立地影响静电喷雾的雾滴尺寸，这对有效控制雾化质量是一个有利的结果；(5)喷孔直径和液体流量对雾滴直径均匀度DR的显著性检验结果显著，其它因素及因素间的交互作用效应经检验均不显著，表明所研制喷头的雾化均匀性可能已达到喷头雾化原理决定的较理想状态，雾化均匀性稳定，不需特别控制；(6)雾滴体积中径和雾滴直径范围均随气体压力、充电电压以及液体压力的增大而减小，雾化趋于均匀；随着喷孔直径的减小，雾滴体积中径和雾滴直径范围均减小，雾化趋于均匀；(7)雾滴荷质比模型显著，说明该模型有效可行，且具有较高的精度。诸试验因素中，充电电压和喷孔直径对雾滴荷质比均有极显著的影响；气体压力和液体流量对雾滴荷质比的影响均不显著；
影响雾滴荷质比的主要因素依次为充电电压和喷孔直径;(8)在300v、600v、
1200y、1800y、2400V、3000V六种充电电压T，雾滴荷质比先随充电电压的
增加而增大，2400V后荷质比减小，推测:对于所研制的喷头可能存在一个
最佳充电电压;(9)由充电电压和喷孔直径的不同搭配所得雾滴荷质比不同
这一结果，可看出，较大充电电压需配备较大喷孔直径以增强雾滴荷电效果;
(10) TD3.6和TD3.4两喷头的雾滴荷质比曲线趋于重合，说明喷孔直径大
于沪3 .4后，雾滴荷质比随充电电压的变化规律趋于一致;(11)随着气体压
力的增大，雾滴荷质比在不同喷孔直径下呈现出相异的变化规律，TD3.0和
TD3.4先增大后减小，TD3.6一直增大，可以推断，对于雾滴荷电能力而言在
气体压力与喷孔直径间存在最佳组合;(12)考察0.25MPa气压下雾滴荷质比
试验曲线的特点和结合其它研究结果，可以推测:声.4很有可能是该型喷头
影响雾滴荷质比的临界孔径，其大小与使用的气体压力有关，较大气体压力
下存在较大的临界孔径;(13)各试验因素对雾滴荷质比的交互作用效应均不
显著，说明可相对独立地控制影响静电喷头荷电性能的各个因素;(14)研究
结果与“雾滴荷质比会随充电电极半径减小而增大”的结论不符，可能的原
因是，喷孔直径减小到一定程度时，有反向电离现象发生，致使荷质比下降。
所以喷孔直径存在一个最低限度，以避免反向电离现象的发生;(15)研制的
感应充电气力式静电喷头，在解决目前静电喷头存在的射程较短、漏电和反
向电离现象较严重等问题上，取得初步进展.该喷头产生的雾滴直径较小，
靶标沉积均匀，能在较低的充电电压下达到较高的雾滴荷电水平;(16)综合
分析认为，气体压力以0.ZMPa为宜，充电电压以2400伏为宜;(17)所研制
静电喷头尚需进行大田喷雾状态的性能研究.
Aimed at some problems such as short spraying distance, electricity-leaking and reverse ionization among electrostatic nozzles existing in the country, a induction charging and pneumatic energy electrostatic nozzle was designed .The basic designing theories , structure and working process of this nozzles were theoretically specified in the paper. And then the atomization quality and charge performances of this nozzle and its affecting factors were studied by carrying out performance experiment and statistic analysis. Result of the studies indicate: (1)some progress were made in solving the problems list above;(2)from this nozzle, droplet were minute and uniform, and higher charge-mass ratio can be obtained under lower electrostatic voltage, thus the atomization quality and charge performance of this nozzle were both better;(3)within the experiment extend, air pressure at 0.2Mpa,electrostatic voltage at 2400V were the most suitable parameters for the nozzle;(4)the regression equations for describing droplet size , intensity of spray current and charge-mass ratio of this nozzle obtained from the experiment data had higher forecast precision;(5)cross-effect of all factors were not significant , the atomization quality and charge performance were relative dependency affected by the factors. Studies on induction charging and pneumatic energy electrostatic nozzle will lay a foundation for the design and study of some other electrostatic nozzles.
影响雾滴荷质比的主要因素依次为充电电压和喷孔直径;(8)在300v、600v、
1200y、1800y、2400V、3000V六种充电电压T，雾滴荷质比先随充电电压的
增加而增大，2400V后荷质比减小，推测:对于所研制的喷头可能存在一个
最佳充电电压;(9)由充电电压和喷孔直径的不同搭配所得雾滴荷质比不同
这一结果，可看出，较大充电电压需配备较大喷孔直径以增强雾滴荷电效果;
(10) TD3.6和TD3.4两喷头的雾滴荷质比曲线趋于重合，说明喷孔直径大
于沪3 .4后，雾滴荷质比随充电电压的变化规律趋于一致;(11)随着气体压
力的增大，雾滴荷质比在不同喷孔直径下呈现出相异的变化规律，TD3.0和
TD3.4先增大后减小，TD3.6一直增大，可以推断，对于雾滴荷电能力而言在
气体压力与喷孔直径间存在最佳组合;(12)考察0.25MPa气压下雾滴荷质比
试验曲线的特点和结合其它研究结果，可以推测:声.4很有可能是该型喷头
影响雾滴荷质比的临界孔径，其大小与使用的气体压力有关，较大气体压力
下存在较大的临界孔径;(13)各试验因素对雾滴荷质比的交互作用效应均不
显著，说明可相对独立地控制影响静电喷头荷电性能的各个因素;(14)研究
结果与“雾滴荷质比会随充电电极半径减小而增大”的结论不符，可能的原
因是，喷孔直径减小到一定程度时，有反向电离现象发生，致使荷质比下降。
所以喷孔直径存在一个最低限度，以避免反向电离现象的发生;(15)研制的
感应充电气力式静电喷头，在解决目前静电喷头存在的射程较短、漏电和反
向电离现象较严重等问题上，取得初步进展.该喷头产生的雾滴直径较小，
靶标沉积均匀，能在较低的充电电压下达到较高的雾滴荷电水平;(16)综合
分析认为，气体压力以0.ZMPa为宜，充电电压以2400伏为宜;(17)所研制
静电喷头尚需进行大田喷雾状态的性能研究.
Aimed at some problems such as short spraying distance, electricity-leaking and reverse ionization among electrostatic nozzles existing in the country, a induction charging and pneumatic energy electrostatic nozzle was designed .The basic designing theories , structure and working process of this nozzles were theoretically specified in the paper. And then the atomization quality and charge performances of this nozzle and its affecting factors were studied by carrying out performance experiment and statistic analysis. Result of the studies indicate: (1)some progress were made in solving the problems list above;(2)from this nozzle, droplet were minute and uniform, and higher charge-mass ratio can be obtained under lower electrostatic voltage, thus the atomization quality and charge performance of this nozzle were both better;(3)within the experiment extend, air pressure at 0.2Mpa,electrostatic voltage at 2400V were the most suitable parameters for the nozzle;(4)the regression equations for describing droplet size , intensity of spray current and charge-mass ratio of this nozzle obtained from the experiment data had higher forecast precision;(5)cross-effect of all factors were not significant , the atomization quality and charge performance were relative dependency affected by the factors. Studies on induction charging and pneumatic energy electrostatic nozzle will lay a foundation for the design and study of some other electrostatic nozzles.
引文
1．王荣．植保机械学．北京：机械工业出版社，1990 8 1
2．王锡春，等．汽车车身自动静电涂装技术．涂料工业，1997(3)：26～28
3. N.Dombrowski,and W.Jones,in Chemical Engineering Science,18,203,1963.
4. W.Walton,and W.Prewett,in Proceeding of the Physical Society of London,B62,341,1949.
5．朱和平．静电喷雾理论极其喷头的研究：[博士论文]．江苏理工大学，1990
6. Rayleigh J W S. On the Instability of the Jets. Proc Roy Soc,1879,24:71～97
7. Jones A R, Thong K G .The Production of Charged Monodisperse Full Droplets by Electrical Dispersion. Brit Jour Al Play Series [D], 1971 (4): 1159～1166
8. Marshall W R. Atomization and Spray Drying. Chem Engr Progress Monograph, 1954(2):122
9. Law S E. Embedded-electrode Electrostatic Induction Spray Charging Nozzle: Theoretical and Engineering Design. Transaction of ASAE, 1979, 20(6): 1096～1104
10. Elbanna H Rashed M I I, Ghazi M A. Droplets from Liquid Sheet-sina Air-stream. Transactions of ASAE, 1984,27(3):677～679
11. Garmendia L A. Simplified Model of Electro-aerodynamic Atomization AICHE Jour, 1977,23 (6):935～938
12. Thong K G. Weinberg F J. Electrical Control of the Combustion of Solid and Liquid Particulate Suspensions. Proc Roy Soc, 1971,324:201～215
13. Marhant J A. An Electrostatic Spinning Disc Atomizer.ASAE, 1985,28(2):386～392
14．松尾昌树，内野敏刚，饭本光雄．外部环状电极用诱导带电式2流体静电散布特性．农业机械学会志，1987，49(5)：459～466
15．松尾昌树，等带电式2流体及直接带电式回转圆盘静电散布特性．农业机械学会志，1987，49(3)：169～176
16．高良润．植保机械用静电雾化喷头综述．江苏工学院学报，1984，5(2)：11～18
17．周浩生，等．组合电极双流体式静电喷雾技术．农业机械学报，1996，27(2)：50～54
18. Adamiak K., Castle G.S.P., Inculet I.I., etal. Numerical Simulation of the Electric Field Distribution in Tribo-powder Coating of Conducting Cylindrical, Objects. IEEE, 1994, 30(1): 215～221
19．王泽．荷电气固两相流及在植保工程中的应用：[博士学位论文]．江苏理工大学，1994
20. Law S.E., Brown H.D., Effects of Liquid Conductivity upon Gaseous Discharge of Droplets. I.E.E.E, 1989,25(6): 1073～1080
21．菅义夫．静电手册．北京：科学出版社，1978
22．林为干，等．电磁场理论．北京：人民邮电出版社，1984
23．郑加强．风送静电喷雾研究极其在灭蝗中的应用：[博士学位论文]．江苏工学院，1992
24. Themos C A. A Theoretical Model for Electric Field Distribution and Enhancement in Air Atomized Electrostatic Spray Painting. I.E.E.E,1986, I A 22(1):70～74
25. Khdair A.I, Carpenter T.G, Reichard D.L. Effects of Air Jets on Deposition of Charged Spray in Plant Canopies. Transactions of the ASAE, 1994,37(5): 1423～1429
26. Lang D.B, Dimotakis P.E, Bull Am Phys Soc,1982,27:1166
27．周浩生．荷电气—固两相流动理论及应用：[博士论文]．江苏理工大学，1997
28. Law S.E, Bailey A.G. Perturbations of Charged Droplet Trajectorids Caused by Induced Target Corona: L.D.A Analysis IEEE,1986, I A20(6):1613～1621
29．郑加强，冼福生．风动转笼式静电喷雾技术的研究．农业机械学报，1990，21(1)：55～61
30．高良润．关于植保机械的若干雾化理论问题．农业机械学报，1980，11(3)：79～87
31．高良润．超低量静电喷雾设备评述．农业机械学报，1979，10(1)：111～116
32．朱和平，冼福生，高良润．静电喷雾技术的理论与应用研究综述．农业机械学报，1989，20(2)：53～58
33．冼福生，朱和平，高良润，周浩生．带电雾滴速度场理论研究．农业机械学报，1992，23(2)：36～42
34．郑加强，冼福生，高良润．静电喷雾雾滴荷质比测定研究综述．江苏工学院学报，13(1)：1～6
35．朱和平，冼福生，高良润．环电极带电射流雾化特性的研究．江苏工学院学报，1991，12(2)：1～7
36．郑加强，冼福生，高良润，等．荷电雾滴电荷衰减规律研究．农业机械学报，1993，24(4)：33～36
37．张世田．转盘和气力组合雾化多用喷雾装置的研究．农业机械学报，1992，23(1)：57～62
38．金晗辉，王军锋，王泽，罗惕乾．静电喷雾研究与应用综述．江苏理工大学学报，1999，20(3)：16～19
39．高良润，冼福生．静电喷雾理论及其测试技术的研究．江苏工学院学报，1986，7(2)：1～13
40．裴喜春，薛河儒主编．SAS及应用．北京：中国农业出版社，2000，3
41．NJ-204《喷雾喷粉机试验方法》
2．王锡春，等．汽车车身自动静电涂装技术．涂料工业，1997(3)：26～28
3. N.Dombrowski,and W.Jones,in Chemical Engineering Science,18,203,1963.
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5．朱和平．静电喷雾理论极其喷头的研究：[博士论文]．江苏理工大学，1990
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7. Jones A R, Thong K G .The Production of Charged Monodisperse Full Droplets by Electrical Dispersion. Brit Jour Al Play Series [D], 1971 (4): 1159～1166
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9. Law S E. Embedded-electrode Electrostatic Induction Spray Charging Nozzle: Theoretical and Engineering Design. Transaction of ASAE, 1979, 20(6): 1096～1104
10. Elbanna H Rashed M I I, Ghazi M A. Droplets from Liquid Sheet-sina Air-stream. Transactions of ASAE, 1984,27(3):677～679
11. Garmendia L A. Simplified Model of Electro-aerodynamic Atomization AICHE Jour, 1977,23 (6):935～938
12. Thong K G. Weinberg F J. Electrical Control of the Combustion of Solid and Liquid Particulate Suspensions. Proc Roy Soc, 1971,324:201～215
13. Marhant J A. An Electrostatic Spinning Disc Atomizer.ASAE, 1985,28(2):386～392
14．松尾昌树，内野敏刚，饭本光雄．外部环状电极用诱导带电式2流体静电散布特性．农业机械学会志，1987，49(5)：459～466
15．松尾昌树，等带电式2流体及直接带电式回转圆盘静电散布特性．农业机械学会志，1987，49(3)：169～176
16．高良润．植保机械用静电雾化喷头综述．江苏工学院学报，1984，5(2)：11～18
17．周浩生，等．组合电极双流体式静电喷雾技术．农业机械学报，1996，27(2)：50～54
18. Adamiak K., Castle G.S.P., Inculet I.I., etal. Numerical Simulation of the Electric Field Distribution in Tribo-powder Coating of Conducting Cylindrical, Objects. IEEE, 1994, 30(1): 215～221
19．王泽．荷电气固两相流及在植保工程中的应用：[博士学位论文]．江苏理工大学，1994
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21．菅义夫．静电手册．北京：科学出版社，1978
22．林为干，等．电磁场理论．北京：人民邮电出版社，1984
23．郑加强．风送静电喷雾研究极其在灭蝗中的应用：[博士学位论文]．江苏工学院，1992
24. Themos C A. A Theoretical Model for Electric Field Distribution and Enhancement in Air Atomized Electrostatic Spray Painting. I.E.E.E,1986, I A 22(1):70～74
25. Khdair A.I, Carpenter T.G, Reichard D.L. Effects of Air Jets on Deposition of Charged Spray in Plant Canopies. Transactions of the ASAE, 1994,37(5): 1423～1429
26. Lang D.B, Dimotakis P.E, Bull Am Phys Soc,1982,27:1166
27．周浩生．荷电气—固两相流动理论及应用：[博士论文]．江苏理工大学，1997
28. Law S.E, Bailey A.G. Perturbations of Charged Droplet Trajectorids Caused by Induced Target Corona: L.D.A Analysis IEEE,1986, I A20(6):1613～1621
29．郑加强，冼福生．风动转笼式静电喷雾技术的研究．农业机械学报，1990，21(1)：55～61
30．高良润．关于植保机械的若干雾化理论问题．农业机械学报，1980，11(3)：79～87
31．高良润．超低量静电喷雾设备评述．农业机械学报，1979，10(1)：111～116
32．朱和平，冼福生，高良润．静电喷雾技术的理论与应用研究综述．农业机械学报，1989，20(2)：53～58
33．冼福生，朱和平，高良润，周浩生．带电雾滴速度场理论研究．农业机械学报，1992，23(2)：36～42
34．郑加强，冼福生，高良润．静电喷雾雾滴荷质比测定研究综述．江苏工学院学报，13(1)：1～6
35．朱和平，冼福生，高良润．环电极带电射流雾化特性的研究．江苏工学院学报，1991，12(2)：1～7
36．郑加强，冼福生，高良润，等．荷电雾滴电荷衰减规律研究．农业机械学报，1993，24(4)：33～36
37．张世田．转盘和气力组合雾化多用喷雾装置的研究．农业机械学报，1992，23(1)：57～62
38．金晗辉，王军锋，王泽，罗惕乾．静电喷雾研究与应用综述．江苏理工大学学报，1999，20(3)：16～19
39．高良润，冼福生．静电喷雾理论及其测试技术的研究．江苏工学院学报，1986，7(2)：1～13
40．裴喜春，薛河儒主编．SAS及应用．北京：中国农业出版社，2000，3
41．NJ-204《喷雾喷粉机试验方法》