CC BY
94
Моделирование процесса образования монодисперсного аэрозоля при предпосевной обработке семян
ЭР.Хасанов, к.т.н.,
СГ.Мударисов, д.т.н, профессор,
Башкирский ГАУ
Основным методом предпосевной подготовки семян является протравливание химическими препаратами от вредителей и болезней [1]. Он широко используется при интенсивной технологии земледелия и позволяет снижать потенциальные потери урожая на 50 — 55%. Применяемые технические средства, обеспечивающие равномерное и полное покрытие поверхности посевного материала, имеют распределители, создающие капли различного диаметра. В лучшем случае удаётся регулировать средний размер частиц, а крупные весовые доли различных по размерам частиц снижают эффективность обработки и отрицательно сказываются на равномерности покрытия. В связи с этим одна из главных задач применяемых технических средств заключается в получении капель одинакового (монодисперсного) размера. Причём размер их должен быть в пределах 20 — 50 мкм [2, 3]. Подобрать правильные параметры технического устройства для достижения данных размеров аэрозоля экспериментальным путём достаточно трудоёмко, поэтому необходимо разработать математические модели обработки посевного материала различными типами распылителей, которые подскажут, в каком направлении необходимо вести научные разработки. Для модели технологического процесса обработки в качестве начальных условий могут быть использованы конструктивно -технологические параметры и режимы работы распылительной системы, а в качестве граничных условий — параметры распределительной системы капель аэрозоля, посевного материала и препарата (скорость воздушного потока, создаваемого вентилятором, количество подаваемой рабочей жидкости, конструктивные параметры камеры обработки).
Цели и задачи исследования — разработать технологические схемы обработки и техническое устройство по предпосевной обработке семян. Задачи исследования — построить модель образования монодисперсного аэрозоля и определить основные параметры системы предпосевной подготовки посевного материала.
Условия, материалы и методы исследования. К техническим устройствам для предпосевной подготовки предъявляют следующие основные требования: соблюдение нормы полного покрытия, равномерное распределение препарата по посевному материалу, возможность создания капель рабочего раствора одинакового регулируемого размера в пределах 20 — 50 мкм.
Выполнение первого требования современными техническими устройствами для предпосевной подготовки обеспечивается в основном количеством препарата, регулируемого установкой на норму расхода для посевного материала различных сельскохозяйственных культур.
Выполнение второго требования более затруднительно в связи с большим разбросом размеров и форм семян. Семена с разной массой имеют различную площадь поверхности. Чем масса меньше, тем больше площадь поверхности и количество семян при одинаковом весе. Заметное влияние на равномерное распределение препарата по посевному материалу оказывают особенности конструкций технических устройств в части камер обработки и типов устройства по подаче препарата и посевного материала в камеру обработки: машина поточного типа или машина порционного типа.
Выполнение третьего требования — по возможности создания капель одинакового размера — зависит от конструктивных особенностей распылителей.
Таким образом, технические устройства для предпосевной обработки должны удовлетворять выдвигаемым условиям и требованиям к распылителям. Для этого необходимо заложить в их конструкции условия образования монодисперсных аэрозолей для равномерного и качественного покрытия посевного материала.
Анализ технических средств для предпосевной обработки показывает, что по способу нанесения препаратов на посевной материал они разделяются на две группы: с перемешивающими устройствами и непосредственного нанесения на семена и клубни. Экспериментальным путём установлено, что в барабанных устройствах посевной материал минимально травмируется по сравнению с камерными и шнековыми техническими устройствами [4, 5]. Основной проблемой применения барабанных технических устройств является невозможность создания монодисперсного аэрозоля с размером капель до 50 мкм. Для устранения данного недостатка создано распыливающее устройство, позволяющее получать капли заданного размера в два этапа: диспергирование рабочей жидкости на «первичные» капли; дополнительное дробление «первичных» капель на «вторичные» за счёт удара о рассекатель.
Из условия равновесия приложенных к частице сил определён диаметр «первичной» капли, образованной кромкой диска вертикальной оси вращения [5]:
С =
6 ха
Рж х(яхо2 - g)'
(1)
где g - ускорение свободного падения, м/с2,
ю — угловая скорость вращения дисков, рад/с, а - поверхностное натяжение жидкости, Н/м, Я - радиус диска, м, рж — плотность жидкости, кг/м3.
Для проверки значимости влияния факторов на диаметр «первичной» капли по каждому из них задавался диапазон значений с получением графиков: (7=15 - 540х10- 3 Н/м, Я=10 - 360x10 - 3 м, рж=70 - 157x10 кг/м3, ю2=150 - 500 рад/с. Предельное значение показателей ограничено вследствие невозможности выполнения по физико-механическим характеристикам. Полученный диаметр «первичной» капли при оптимальных условиях составляет 270 мкм.
При рассмотрении механизма образования «вторичных» капель определено, что процесс зависит от трёх факторов: капиллярная неустойчивость Релея и сила аэродинамического потока ведут к разрыву плёнки на «вторичные» капли, с другой стороны - силы поверхностного натяжения способствуют замедлению процесса. При рассмотрении совместного действия данных сил получена зависимость:
" 2 _ ■ 6па кс
(2)
При подстановке данных в формулу 2 (поверхностное натяжение (=0,073 Н/м, плотность жидкости рж=998,23 кг/м3, средний размер «первичной» капли 2,7x10 - 4 м, скорость удара «первичной» капли 20 м/с) размер «вторичной» капли составит 47 мкм, что соответствует требованиям мелкодисперсного аэрозоля. Зависимость диаметра «вторичной» капли от «первичной» при ударе о рассекатель представлена на рисунке 1.
где к - коэффициент распада капли, 1,14х 106, с - скорость распространения ударной волны,
3 - 8ху4,
< - диаметр «первичной» капли, <12 - диаметр «вторичной» капли, V; - скорость удара.
Для описания процесса пневмотраспортиро-вания аэрозольного потока с частицами имеется большое количество математических моделей. Выбор подходящей модели осуществляется исходя из конкретной задачи и имеющейся информации процесса. Нами для математического описания течения газов с твёрдыми частицами использовалась система уравнений Навье-Стокса с добавлением в эту систему уравнения неразрывности, сохранения массы для воздушно-зерновой смеси и сохранения импульса [6].
Результаты исследования. Теоретическое моделирование процесса образования «первичной» капли по формуле 1 показывает, что под влиянием увеличения показателей факторов диаметр «первичных» капель уменьшается с 770 до 150 мкм. По результатам полученных данных определено, что даже при соответствующих максимальных значениях всех входных величин, приводящих к образованию дисковым распылителем минимального диаметра «первичной» капли, последний не будет отвечать требованиям монодисперсного аэрозоля (до 50 мкм).
Рис. 1 - Зависимость диаметра «вторичной» капли
от диаметра «первичной» капли при ударе
0 рассекатель:
1 - «первичные» капли;
2 - экспериментальные данные;
3 - теоретические данные
Численная реализация модели образования монодисперсного аэрозоля проведена в программном комплексе FlowVision, где можно получить интегральные и дифференциальные характеристики течения аэрозоля (поле скоростей, давлений, температур, линий тока, траекторий). Для проведения расчётов создана трёхмерная твердотельная модель пневмораспылителя в программном продукте КОМПАС-3D, которая далее для расчётов импортирована в программный комплекс FlowVision. Для подтверждения полученных ранее расчётных и опытных данных моделированию подвергалась пневмораспылительная система с несколькими вариантами рассекателей. Анализ данных моделирования показал работоспособность спроектированной конструкции распылительного устройства. Проведение ряда экспериментов и моделирование движения аэрозоля в программном комплексе FlowVision обусловило возможность более точно оценить характер образования «вторичных» капель. Таким образом, моделирование образования аэрозоля с помощью программного комплекса FlowVision позволило более полно оценить характер влияния граничных условий и заданных начальных характеристик режима образования аэрозоля, определило пути совершенствования барабанных технических средств для предпосевной обработки.
Производственные испытания проводились на разработанном барабанном инкрустаторе (рис. 2), показавшем высокое качество работы.
Рис. 2 - Барабанный инкрустатор БИС-4:
1 - бункер для порошкового биопрепарата;
2 - камера обработки; 3 - бункер для семян; 4 - вентилятор; 5 - резервуар с клеящейся жидкостью; 6 - рама; 7 - электродвигатель
Вывод. Получена математическая модель образования монодисперсного аэрозоля. Произведено моделирование образования аэрозоля пневмора-спылительной системой с помощью программных комплексов SolidWOrks. Предложенное техническое устройство БИС-4 в виде инкрустатора барабанного типа апробировано в СПК «Дружба» Благовещенского р-на Республики Башкортостан. Полученный экономический эффект на яровой пшенице составил 623,3 тыс. руб. со 120 га.
Литература
1. Смелик В.А., Кубеев Е.И., Дринча В.М. Предпосевная подготовка семян нанесением исскуственных оболочек. СПб.: СПбГАУ, 2011. 272 с.
2. Дунский, В.Ф., Никитин Н.В., Соколов М.С. Монодисперсные аэрозоли. М.: Наука, 1975. 188 с.
3. Дитякин, Ю.Ф., Клячко Б.В., Новиков Л.А. и др. Распы-ливание жидкостей. М.: Машиностроение, 1977. 208 с.
4. Хасанов Э.Р., Байгускаров М.Х., Биктимиров М.Р. Пути повышения качества обработки семян с минимальным травмированием // Достижения науки—агропромышленному производству: матер. XLVIII междунар. науч.-практич. конф. Челябинск: ЧГАУ, 2009. Ч. 4. С. 260 - 263.
5. Хасанов Э.Р. Предпосевная обработка семенного материала защитно-стимулирующими препаратами: монография. Уфа: Лань, Башкирский ГАУ, 2013. 171 с.
6. Мударисов С.Г., Бадретдинов И.Д. Оптимизация параметров пневматической системы зерноочистительной машины // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2011. № 1. С. 6 - 9.
