CC BY
38
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ТЕХНИКА
УДК / UDC 631.348.02:631.53.027.2:633.1
ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОТРАВЛИВАТЕЛЯ СЕМЯН ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР
FEASABILITY OF STUDIES OF CONSTRUCTIVE AND PROCESS VARIABLES
FOR A CEREAL SEED TREATER
Хасанов Э.Р., доктор технических наук, профессор кафедры строительно-дорожных, коммунальных и сельскохозяйственных машин Khasanov E.R., Doctor of Technical Sciences, Professor of the Road Construction,
Municipal and Farm Machinery Chair ФГБОУ ВО «Башкирский государственный аграрный университет»,
Уфа, Россия
Federal State Budgetary Educational Establishment of Higher Education "Bashkir State Agrarian University", Ufa, Russia E-mail: hasan [email protected]
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
защита растений от болезней и вредителей; предпосевная обработка семян; поток аэрозоля; воздушный поток; протравливание семян; использование барабанного протравливателя.
KEY WORDS
diseaseless management and pest control; pre-sowing seed treatment; aerosol flow; air stream; seed treatment; using a drum treater.
Введение. Предпосевная обработка семян зерновых культур в целях защиты их от болезней и вредителей является одним из наиболее необходимых и эффективных мероприятий по защите растений и проводится для обеззараживания семян от возбудителей болезней, передающихся через семенной материал, предохранения семян во время хранения, защиты высеянных семян и их проростков от плесневых заболеваний при неблагоприятных условиях во время прорастания, ослабления отрицательного действия травматических повреждений семян за счет активизации их защитных свойств, повышения энергии прорастания семенного материала и их полевой всхожести, стимулирования роста и развития будущих растений. В связи с этим в комплексе мер борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур предпосевная обработка семян - протравливание, является одной из основных операций [1-3].
Протравливание основывается на физическом процессе образования аэрозоля с его последующим осаждением на обрабатываемом семенном материале. Качество протравливания достигается правильностью выбранных параметров процесса, режимов работы, а также функциональных возможностей протравливателя. Используемые в протравливателях распылители предназначены в основном для систем орошения, чем объясняется высокая степень полидисперсности получаемых аэрозолей [4]. Свойства аэрозолей в большей степени зависят от размера частиц [5]. Размером определяются основные свойства частиц, такие как: скорость падения, степень инерционного осаждения на обтекаемых препятствиях (коэффициент захвата) и т.д. В сельском хозяйстве используются аэрозоли с очень широким диапазоном размеров частиц, причем для достижения одной и той же цели могут
применяться как аэрозоли с крупными размерами частиц, так и с более мелкими. Поэтому требуется разработать как требования к образованию монодисперсных капель аэрозоля, так и совершенствовать технологические схемы обработки и технические устройства для их применения [6].
Цель исследований. Разработка конструкции и обоснование параметров технического устройства для протравливания семян зерновых культур, позволяющего повысить качество обработки путем образования монодисперсных капель аэрозоля.
Условия, материалы и методы. Технические устройства для протравливания семян зерновых культур подразделяются на передвижные и стационарные. В свою очередь они классифицируются (рис. 1): по характеру работы, по способу нанесения препарата на семенной материал, по конструкции основного рабочего органа. По характеру работы их разделяют на порционные и непрерывного действия. По способу нанесения препаратов на семена технические устройства разделяют на две группы: с перемешивающими устройствами и непосредственного -нанесения на семена [7-8].
Рисунок 1 - Классификация технических средств для предпосевной подготовки
По конструкции основного рабочего органа протравливатели с перемешивающими устройствами разделяют на шнековые и барабанные, а протравливатели непосредственного нанесения препаратов - на камерные и штанговые. Шнековые и камерные протравливатели считаются перспективными и получили широкое распространение: шнековые в связи с относительно небольшой их производительностью и простотой конструкции - в хозяйствах с небольшими площадями посевов, камерные - для поточных линий семенных заводов, пунктов и крупных хозяйств [9].
Проведенные исследования по травмированию семян показали, что наименьшее их повреждение (ПСШ - 6,8%, ПС-10 - 5,4, барабанные - 0,4%) происходит при использовании барабанных технических средств [10-12]. В барабанных устройствах (ПЗ-10 «Колос» (Россия), PC-100F (Венгрия), К-618-619 (Германия), B10S и В4 (Австрия), 5XBY-5 (Китай)) перемешивание происходит во вращающемся барабане при свободном падении компонентов, поднимаемых стенкой барабана за счет сил трения, возникающих между поверхностью стенки и перемешиваемым материалом. К недостаткам относится невозможность применяемых распылителей создавать монодисперсные аэрозоли из вязких рабочих растворов для равномерного и качественного покрытия семенного материала.
Достичь размера капли до 50 мкм, отвечающего требованиям мономелкодисперсного аэрозоля возможно путем дробления капли («первичной»), полученной различными типами распылителей, о неподвижное препятствие - рассекатель. Предположительно, в этом случае диаметр капель («вторичных»), образовавшихся после дробления «первичных» будет одного размера с каплями - спутниками и аэрозоль из полидисперсного превратится в монодисперсный. Не исключается также предположение, что в некоторых случаях крупные «первичные» капли могут оседать на препятствие, и в этом случае рассекатель будет отсекать их от основной массы аэрозольного потока. Рассмотрим механизм образования «вторичных» капель. Для удобства разобьем его на несколько этапов (рис. 2).
Рисунок 2 - Схема образования «вторичных» капель при ударе о рассекатель
На первом этапе при ударе «первичной» капли о рассекатель в первый момент времени контакт состоит из одной точки. В дальнейшем по мере развития процесса соударения капля сплющивается, площадь контакта растет и на границе «твердое тело-жидкость» образовывается вязкий пограничный слой. В данный момент образуется ударная волна, присоединенная к периметру поверхности контакта. Образовавшаяся после удара круглая пленка в месте контакта сначала увеличивается в диаметре, затем под действием давления потока воздуха и ударной волны начинает приобретать овальную форму в направление края рассекателя. Причем зона контакта расширяется в радиальном направлении со скоростью большей скорости распространения ударной волны.
Второй этап характеризуется тем, что ударная волна распространяется от точки соударения вглубь капли. От места контакта начинают распространяться волны разряжения, в которых частицы жидкости ускоряются в осевом и радиальном направлении. В результате увеличивается давление вблизи границы контактной поверхности.
На третьем этапе повышение давления заставляет пленку жидкости с большой скоростью устремляться вдоль поверхности столкновения. В пленке жидкости из-за различного направления действия сил развивается капиллярная неустойчивость, под действием которой прежде однородная пленка в момент срыва с края рассекателя распадается на «вторичные» капли. Капиллярные нити между ними рвутся и сливаются со «вторичными» каплями.
Механизм движения пленки зависит от трех факторов: капиллярная неустойчивость Релея и сила аэродинамического потока ведут к разрыву пленки на «вторичные» капли, с другой стороны силы поверхностного натяжения способствуют замедлению процесса. Пленка жидкости движется в
2
1 - направление движения пленки после удара;
2 - «вторичные» капли;
3 - капиллярные нити;
4 - рассекатель;
5 - промежуточная граница движения пленки;
6 - «первичная» капля перед ударом
сторону края рассекателя под действием массы жидкости m, притекающий в нее за период времени tр, аэродинамического потока А и под действием осевого натяжения капиллярных нитей f (силы поверхностного натяжения S).
Аэродинамический поток характеризуется числом Вебера, определяемого по формуле [5]
= Р'"у' , (1)
где vi - скорость удара.
Осевое натяжение нитей пленки жидкости равно
f=PДУ, (2)
где д - толщина пленки жидкости.
Время распада жидкости на «вторичные» капли после соударения tр=0,04 определено экспериментальным методом [8]. В течение этого периода пленка утончается до момента распадения на «вторичные» капли и д = dв ^в - диаметр «вторичных» капель). С учетом этого
S = рdву (3)
Суммируя вышесказанное, считая, что распад пленки на «вторичные» капли происходит в основном за счет неустойчивости Релея под действием аэродинамической силы, силы тяжести пленки жидкости и силы поверхностного натяжения получим
т + А = ^с, (4)
где m - сила тяжести пленки жидкости,
к - коэффициент распада капли, 1,14*106 [5], с - скорость распространения ударной волны, 3-8* vi [5].
С учетом вышеприведенных формул запишем
^Рж РжУгЛр ,
— + -—-- = кМво-с (5)
6 ¿а
Тогда диаметр «вторичной» капли равен
, ^ рР—а + РР—У
¿в =-7-2--(6)
6жа кс
При подстановке в формулу значений: поверхностное натяжение у=0,073 Н/м, плотности жидкости рж=998,23 кг/м3, средний размер «первичной» капли 100-400 мкм, скорости удара «первичной» капли 10 м/с, размер «вторичной» капли составит 8,7-34,9 мкм, что соответствует требованиям к аэрозолям (рис. 3).
Следовательно, получить размер основной массы капель, удовлетворяющий требованиям мелкомонодисперсного аэрозоля возможно в технических средствах для предпосевной подготовки в два этапа: получение «первичной» капли диаметром 100-400 мкм гидравлическим, механическим или пневматическим распылителем; образование «вторичной» капли диаметром до 50 мкм путем дробления «первичной» капли о неподвижное препятствие - рассекатель.
Численная реализация модели движения «первичных» капель и образования «вторичных» капель после удара о рассекатель в пневматической
системе технических средств для предпосевной обработки проведена в программном комплексе FlowVision, где можно получить интегральные и дифференциальные характеристики течения аэрозоля (поле скоростей, давлений, размера капель аэрозоля, линий тока, траекторий) [13].
1 /
/ / - —
!_ — -
_ — --- -2 У - 0.092* X2 + 1, r2 = O 2258Х 9125 ь 13,6! 5
100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 dp,MKM
Рисунок 3 - Зависимость диаметра «вторичной» капли от диаметра «первичной» капли при ударе о рассекатель: 1 - экспериментальные данные,
2 - теоретические данные
Для подтверждения полученных ранее расчетных и опытных данных моделированию подвергалась пневмораспылительная насадка (рис. 4) в виде трубы Вентури (камера образования и транспортирования аэрозоля).
Для проведения расчетов создана трехмерная твердотельная модель камеры образования и транспортирования аэрозоля в формате stl или vrml. Для этого использован программный продукт КОМПАС-3й. Твердотельная модель далее импортирована в программный комплекс FlowVision. На первом этапе создана расчетная область, установлены начальные и граничные условия функционирования модели.
t
Ф
■Ч х воздушный поток
■< о рабочая жидкость ■< @ аэрозоль
Рисунок 4 - Технологическая схема пневмораспылительной насадки
Начальные граничные условия входа в насадку «первичных» капель, образованных распылителем из рабочей жидкости, установили, исходя из собственных опытных данных [10] и данных, полученных исследователями [5]: скорости воздушного потока 10, 15, 20, 25 м/с и диаметры «первичных» капель аэрозоля с их количественной долей 100 мкм (20%), 150 мкм (20%), 200 мкм (30%), 250 мкм (30%). Таким образом, на входе средний диаметр «первичной» капли - 185 мкм. Далее производили расчет. Программа позволяет визуализировать поле векторов скорости воздушного потока, получить поле скоростей воздушного потока и траектории движения капель рабочей жидкости, а также определить их численные значения.
Получив визуальный расчет в программном комплексе FlowVision, импортировали необходимые нам численные значения в программу Excel для
получения графиков. Использовали данную методику получения визуальных и численных данных для оптимизации конструктивно-технологических параметров камеры образования аэрозоля по размерам «первичных» и «вторичных» капель после удара с различными конструкциями рассекателей.
Для обоснования параметров моделирование производилось с различными формами камеры образования и транспортирования аэрозоля и конструкциями рассекателей. Для моделирования образования аэрозоля в пневмораспылительной насадке в виде трубы Вентури заданы ее геометрические характеристики, основными их которых являются диаметр йн и длина Lн. Диаметр на входе составляет 0,15 м, обусловлен параметром выходного сопла вентилятора 0,15 м. Длину насадки принимаем первоначально 0,4 м, а диаметр центральной части насадки йнц приняли 0,09 м, исходя из необходимости обеспечения требуемой скорости воздушного потока по сечению выхода вентилятора.
Результаты и обсуждение. На начальном этапе в качестве базовой модели рассчитана модель камеры образования аэрозоля без рассекателя. Анализ данных в ней показал, что за счет сужения центральной части насадки скорость воздушного потока увеличивается в 2-3 раза с одновременным уменьшением диаметра капель. На первом этапе движения наиболее крупные капли (200-250 мкм) вследствие инерционности переходят в пристеночную область канала насадки, где-либо растекаются на стенке, либо дробятся на более мелкие до 50 мкм (рис. 5).
Рисунок 5 - Визуализация результатов расчета по траекториям движения капель рабочей жидкости под действием воздушного потока
В центральной части канала насадки, где максимальная скорость воздушного потока, находятся средние по диаметру капли (100-150 мкм), которые, практически не изменяясь в размере, доходят до выхода. График на рисунке 6 показывает, что минимальные по диаметру капли образовываются при скорости воздушного потока 10 м/с, выбросы отдельных крупных капель минимальны, аэрозоль является монодисперсным.
Рисунок 6 - График образования среднего значения диаметра капли аэрозоля на выходе насадки в зависимости от скорости воздушного потока
Далее рассматривались насадки с установленными внутрь нее рассекателями трех видов различных конструкций (плоская пластина, пластина с зубцами, воронка), установленные в камеру образования и транспортирования аэрозоля под разными углами с целью дробления «первичных» капель на «вторичные». Наилучшие результаты дробления капель дает модель с конструкцией рассекателя (рис. 7 и 8), представленного в виде воронки с установленным внутри конусом.
Рисунок 7 - Визуализация результатов расчета по траекториям движения капель рабочей жидкости под действием воздушного потока
1 .QOE-05------
5.00E-0G______
5 10 15 20 25 Vg,M/ceK
Рисунок 8 - График образования среднего значения диаметра капли аэрозоля на выходе насадки с рассекателем в виде воронки с установленным внутри конусом в зависимости от скорости воздушного потока
Получив визуальный расчет в программном комплексе FlowVision, импортировали численные значения в программу Excel для расчета данных по объему долей капель по размерным группам в зависимости от скорости. Результаты моделирования показали, что представленная конструкция рассекателя в виде воронки с установленным внутри конусом позволяет образовывать «вторичные» капли из «первичных» средним диаметром 14-21 мкм, что вполне соответствует размерам мелкодисперсного аэрозоля (до 50 мкм). Дробление «первичных» капель на «вторичные» равномерно, выброс крупных капель в камеру обработки минимально, аэрозоль является монодисперсным. Эпюра скоростей воздушного потока на выходе из пневмораспылителя равномерна, рекомендуемые скорости - 10-15 м/с. Капли аэрозоля двигаются преимущественно по центру потока, не перетекая в пристеночную область, вследствие чего отсутствует их прилипание и концентрация остается постоянной.
Выводы. Таким образом, по результатам расчета и визуализации модели рабочего процесса в программном комплексе FlowVision, примем следующие конструктивно-технологические параметры камеры образования и транспортирования аэрозоля: Lh=0,35-0,55 м, Dh=0,15 м. Разработанная модель позволяет произвести расчет и усовершенствование конструкции рассекателя, геометрических характеристик камеры образования и транспортирования аэрозоля, расчетные значения которых максимально приближены к реальным конструктивно-технологическим параметрам и получить заданный диаметр «вторичных» капель (до 50 мкм) из «первичных».
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Нуруллин Э.Г., Салахов И.М. Протравливатель семян зерновых культур // Сельский механизатор. 2013. № 11. С. 16-17.
2. Хасанов Э.Р. Предпосевная обработка семенного материала защитно-стимулирующими препаратами. Уфа: Лань, Башкирский ГАУ, 2013. 176 с.
3. Смелик В.А., Кубеев Е.И., Дринча В.М. Предпосевная подготовка семян нанесением искусственных оболочек. СПб.: СПбГАУ, 2011. 272 с.
4. Нуруллин Э.Г., Салахов И.М. Исследование параметров распыливания рабочей жидкости в пневмомеханическом протравливателе семян // Известия Международной академии аграрного образования. 2013. № 17. С. 122-125.
5. Дунский В.Ф., Никитин Н.В., Соколов М.С. Монодисперсные аэрозоли. Москва: Наука, 1975. 188 с.
6. Хасанов Э.Р., Мударисов С.Г. Образование монодисперсного аэрозоля при предпосевной обработке семян // Вестник Башкирского государственного аграрного университета. 2014. № 2 (30). С. 90-94.
7. Смелик В.А., Теплинский О.И. Анализ технологического процесса мобильного протравливателя семенного картофеля как объекта контроля и управления // Технологии и средства механизации сельского хозяйства: сборник научных трудов. СПб.: СПбГАУ, 2006. С. 106-110.
8. Смелик В.А., Кубеев Е.И. Математическая модель функционирования экспериментального дражиратора // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. СПб.: СПбЛТА, 2012. № 201. С. 50-59.
9. Система машин и оборудования для реализации инновационных технологий в растениеводстве и животноводстве. Ч. 1. Растениеводство: монография / И.И. Габитов, С.Г. Мударисов, Г.П. Юхин [и др.]. Уфа: Башкирский ГАУ, 2014. 327 с.
10. Хасанов Э.Р., Ганеев Р.В. Разработка барабанного инкрустатора семян зерновых культур // Достижения науки - агропромышленному производству: материалы LI Международной научно-технической конференции. Челябинск: ЧГАА, 2012. Ч. III. С. 192-196.
11. Нуруллин Э.Г., Салахов И.М. Травмирование семян в протравливателях пневмомеханического типа // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2010. № 12. С. 21-22.
12. Нуруллин Э.Г., Салахов И.М. Теоретическое обоснование места и угла установки распылителя рабочей жидкости пневмомеханического протравливателя // Вестник Казанского технологического университета. 2014. № 15. С. 207-209.
13. Мударисов С.Г., Бадретдинов И.Д. Оптимизация параметров пневматической системы зерноочистительной машины // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2011. № 1. С. 6-9.
