CC BY
11УДК631.348.45
РЕЗУЛЬТАТЫ ПОЛЕВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО РАСПЫЛЕНИЯ
Догода П.А., доктор сельскохозяйственных наук, профессор; Догода А.П., кандидат технических наук;
Османов Э.Ш., кандидат технических наук;
Цолин Р.А., аспирант, Институт «Агротехнологическая академия» ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В.И.Вернадского».
Пестициды - это химические вещества, предназначенные для борьбы с вредителями, болезнями или сорняками. Основными недостатками применения пестицидов является то, что они могут легко загрязнять воздух, почву, при стекании с полей могут загрязнять источники воды и.т.д. Поэтому усовершенствование и внедрение современных способов опрыскивания будет оказывать существенное влияние на успешное применение пестицидов. Одним из таких способов является электростатическое распыление - это новая тенденция применения пестицидов с большими плюсами по сравнению с традиционным опрыскиванием. В последние годы электростатическое распыление используется во многих других областях, таких как покраска, печать чернилами и т.д. Исследования показали, что элек-
RESULTS OF FIELD STUDIES OF THE ELECTROSTATIC SPRAYING SYSTEM
Dogoda P.A., Doctor of Agricultural Sciences, Professor;
Dogoda A.P., Candidate of Technical Sciences;
Osmanov E.Sh., Candidate of Technical Sciences;
Tsolin R.A., postgraduate student, Institute «Agrotechnological Academy» FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University».
Pesticides are chemicals designed to control pests, diseases or weeds. The main disadvantages of using pesticides are that they can easily pollute the air, soil, when draining from fields, they can pollute water sources, etc. Therefore, the improvement and introduction of modern spraying methods will have a significant impact on the successful use of pesticides. One of these methods is electrostatic spraying - this is a new trend in the use of pesticides with great advantages compared to traditional spraying. In recent years, electrostatic spraying has been used in many other fields, such as painting, ink printing, etc. Studies have shown that electrostatic spraying provides better coverage of hard-to-reach objects than conventional spraying. The water consumption with such sprayers is up to 10 times less than with traditional spraying. This article shows the results of a laboratory and
66
тростатическое распыление обе- field study of a sprayer with electrostatic спечивает лучшее покрытие труд- charging of droplets. нодоступных объектов, чем обычное распыление. Расход воды при таком опрыскивателями до 10 раз меньше, чем при традиционном опрыскивании. В данной статье отображены результаты лабораторно-полевых исследовании опрыскивателя с электростатической подзарядкой капель.
Ключевые слова: опрыскиватель, Keywords: sprayer, electrostatic
электростатическое распыление, пе- spraying, pesticides, drop. стициды, капля.
Введение. Эффективное использование пестицидов является одним из способов повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Традиционные методы распыления в сельском хозяйстве привели к несоответствию между экономическим ростом и охраной окружающей среды в сельскохозяйственном производстве. В последние десятилетия технологии опрыскивания постоянно развиваются [1].
Электростатическое опрыскивание сельскохозяйственных культур продолжает становиться все более популярным. Суть такой обработки культур заключается в том, чтобы индуцировать статический электрический заряд в каждую распыленную каплю, что заставляет его притягиваться к растению, имеющему нейтральный заряд. Воздушная струя аэрозоля и заряд заставляет капли достигать растения прежде, чем они успеют испариться [2].
Основным преимуществом электростатического опрыскивания в сравнении с традиционным:
- улучшенная равномерность покрытия (т.е. покрытие под листом, панорамное покрытие стебля и проникновение в крону).
- улучшенное удержание (на 50 % лучше, чем при обычном распылении) и потенциальная экономия 50 % распыляемой смеси.
- снижение потерь на почву.
- повышенная эффективность как в борьбе с насекомыми, так и с болезнями.
- увеличивается время удержания капель на объекте обработки [3].
Основной принцип электростатического распыления основан на законе
Кулона, согласно ему «Если два заряда имеют одинаковый знак, электростатическая сила между ними является отталкивающей; если они имеют разные знаки, сила между ними является притягивающей» [4]. Как только капли, покидают распылитель, они подвергаются воздействию отрицательного заряда. Эти заряженные капли притягиваются к положительно заряженной поверхности объекта обработки [4].
Материал и методы исследований. Принцип работы следующий (рис. 1.).
67
Под действием электрического поля капля поляризуется. Теперь у капли есть собственное поле, которое электрически побуждает ее падать на нейтральные объекты. По мере приближения к такому объекту отрицательный заряд на поверхности капли отталкивает подвижные электроны на поверхность обработки, которые перераспределяются, создавая относительный положительный заряд на поверхности и притягивают каплю [5].
Ряспы 1Л гель
Объект обрябфТКН
Рисунок 1. Механизм электростатического распыления
Отрицательно заряженные капли препарата достигают объекта обработки по отдельности, не связываясь друг с другом, и создают заряд на листе растения, за счет чего адгезии капли с поверхностью увеличивается, тем самым растет длительность удержания ее на листе и уменьшается вероятность попадания препарата на почву стеканием с листа.
В задачу лабораторных иследований входило изучение высоковольтного оборудования и основных характеристик процесса электрозарядки аэрозоля. Данные исследования проводили, используя электродную систему ребро-плоскость с питанием от сети переменного тока (напряжение 220 В частота 50 Гц). (рис. 2а) и струнную систему (рис. 2б).
а) б)
Рисунок 2. Электродная система: а - ребро-плоскость; б - струна (проволока) - две плоскости
68
Экспериментальные исследования позволили определить, что во время подачи аэрозоля между электродами на киловольтметре напряжение понижалось с 22,5 до 20 кВ. Это говорит о том что ток между электродами увеличивается, а сопротивление между ними снижается. В свою очередь частицы жидкости приобретают потенциал, противоположный от потенциала почвы. Это подтверждается отклонением распыленного раствора в сторону растения.
Известно, что при диаметре струи распыла приблизительно равной 10 мм межэлектродное расстояние в 40-45 мм является достаточным для защиты от пробоя. Допустим, что пр°и отсутствии распыла жидкости сопротивление электродов и киловольтметра бесконечно велико, это значит, что в цепи отсутствует ток, а измеряемое напряжение равно ЭДС источника тока. Во время распыла, в межэлектродном пространстве появляется ток, приводящий к падению напряжения на электроде:
икб=ир - и»б = 22,5 - 20 = 2,5 кВ, (1)
Следовательно, потребляемый ток:
иЯп 2,5-10
з
(2)
О я 4.10б '
Последующие испытания проводились с использованием струнной системы электродов, которая рассчитана на работу одновременно с 4-мя распылителями. Целью данного исследования являлось получение данных о качестве распыла и осаждении электрозаряженных частиц аэрозоля.
Как видно из результатов обработки данных (табл. 1), которые получены путем анализа на микроскопе учетных карточек, использование электростатической зарядки дает возможность увеличить плотность оседания капель на обрабатываемой поверхности. Во время опрыскивания без электрозарядки аэрозоля средняя плотность оседания на адаксиальной (верхней) поверхности листа составила 102 шт./см2, а на абаксиальной (нижней) стороне капли раствора практически отсутствовали. В свою очередь при опрыскивании коронирующем электростатическом поле, используя струнный электрод данное значение соответствовало 149 шт./см2 для адаксиальной и 79 шт./см2 для абаксиальной поверхности листьев. Таблица 1. Среднее количество капель в размерных группах
Поверхность Количество капель, шт. в размерной группе, мкм Всего
20-50 50-80 80-100 100-150 150-200 > 200
Т задиционна обработка
Адаксиальная 0 4 8 23 40 27 102
Абаксиальная 0 0 8 6 13 0 27
Электростатическая обработка
Адаксиальная 5 7 15 43 49 29 149
Абаксиальная 10 17 21 15 9 8 79
69
Проведенные опыты показывают, что электростатическая обработка распыляемой жидкости увеличивает плотность покрытия поверхности обработки на 32-70 %, наиболее явно это наблюдается на абаксиальной стороне, что очень важно для повышения эффективности вносимых препаратов, а следовательно и снижении их расхода. Помимо этого, в спектре распыла факела при использовании струнного электрода процент мелких капель, оседающих под влиянием кулоновских сил, а не только гравитации, увеличивается в 2-3 (табл. 2). Увеличение количества мелких капель способствует повышению равномерности покрытия примерно на 52 %.
Таблица 2. Распределение капель по размерным группам
Поверхность Относительное количество капель, % в размерной группе, мкм
20-50 50-80 80-100 100-150 150-200 > 200
Традиционна обработка
Адаксиальная 0 1,7 7,2 22,9 40,2 28,0
Абаксиальная 0 0 29,6 22,2 48,1 0
Электростатическая обработка
Адаксиальная 1,1 1,6 10,5 29,8 36,0 21,0
Абаксиальная 8,5 22,3 28,3 18,7 12,0 10,2
Полезную мощность, которая затрачивается на электризацию аэрозоля, определяли, измеряя электротехнические показатели работы высоковольтной системы по формуле:
Р = I • и = 0,0007 • 20500 = 14,35 Вт, (4)
иол ' ' ' 4 7
где и = 20500В - напряжение на электродах,
I = 0,0007А - ток между электродами.
На каждый из четырех распылителей затрачивается мощность в 3,6 Вт. В целом потребляемую мощность данного оборудования нужно оценивать вместе с учетом КПД его элементов, а так же возможных утечек. Источнику тока высокого напряжения для традиционного опрыскивателя с 36 форсунками (ширина захвата 18 м) необходимо обеспечивать постоянный ток около 7 мА при напряжении 25 кВ. Выходная мощность такого источники тока должна быть 175 Вт. Также возможен вариант, при установке высоковольтного оборудования на опрыскиватель с разделением электродов и форсунок на группы, в данном случае напряжение будет подаваться от нескольких источников (от числа групп).
Полевые испытания оборудования для электростатической зарядки аэрозолей проводились на посевах ячменя (сорт «Ратник» второй репродукции) при внесении жидких минеральных удобрений на этапе выхода растения в трубку. Удобрение «Аквадон-Микро» (для зерновых культур), вносился с концентрацией 1 % с дозировкой 200 л/га, это обеспечивало необходимую дозировку самого препарата 2 л/га.
70
Высоковольтное оборудование монтировалось на верхней части штанги опрыскивателя, этим достигалась достаточная вентиляция и удаленность трубопроводов опрыскивателя от электрических узлов. В схему были включены дополнительные конденсаторы, они обеспечивали выравнивание скачков напряжения, а так же стабильную, независимо от оборотов ДВС трактора, работу преобразователя.
По итогам полевых испытаний системы электризации аэрозоля получены показатели качества распыла, а так же осаждения капель рабочей жидкости на адаксиальную и абаксиальные поверхности листьев обрабатываемой культуры (рис. 3, 4).
20-50 50-80 80-100 100-150 150-200 оолее 200
Размер капель, мкм
н Без электроподзарядхи ы 13.5 кВ и 17 кВ и 19 кВ
Рисунок 3. Гитограмма характеристики распределения капель на адаксиальной поверхности обрабатываемой культуры
20-50 50-80 80-100 100-150 150-200 5олее200
Размер капель, мкм
"Bei электроподзарялш ■ 13,5 кВ и 17 кБ н 19 кВ
Рисунок 4. Гитограмма характеристики распределения капель на абаксиальной поверхности обрабатываемой культуры
71
При постороении гистограммы по формуле (5) вычисляли среднее количество осевших капель по всему ярусу растения. Для этого учитывалось среднее количество капель осевших на единицу площади на верхнем и нижнем ярусах.
Шр = Ш.я +Ш.я (5)
где Ыср - среднее количество капель, шт.;
Ыв.я - количество капель на верхнем ярусе растения, шт.
Ын.я - количество капель на нижнем ярусе растения, шт.
Анализ полученных результатов показал, что при увеличении напряжения на электродах увеличивается густота оседания капель на учетных карточках. В большей степени данный эффект заметен на учетных карточках, расположенных в нижнем ярусе обрабатываемых растений и адаксиальной поверхности листьев верхнего яруса. Это говорит о повышении целевого использования аэрозоля, и, следовательно, о уменьшении потерь препарата.
При увеличении напряжения прослеживается рост количества капель размером до 100 мкм, это говорит об повышении дробления капель в корони-рующем поле. Законами электростатики обусловлено взаимодействие между растениями и заряженными частицами аэрозоля. Траектория движения заряженных частиц зависит от формы силовых линий электрического поля, которая в свою очередь зависит от формы объекта обработки.
Так как мелкие близко распложенные капли между собой коагулируют и увеличиваются в размерах, на лицевой стороне листьев образуются крупные капли. Но, независимо от этого покрытие верхней стороны листьев, остается равномерно и не имеет ярко выраженных следов стекания (размер капель до 300 мкм соответствует агротехническим требованиям) [6].
Выводы. Проведенные лабораторно-полевые исследования процесса опрыскивания с использованием электростатического распыления подтвердила эффективность данного метода по сравнению с традиционным опрыскиванием. Анализ экспериментальные данные показал, что за счет электростатической обработки увеличивается количество мелких и средних капель, а также плотность покрытия поверхности обработки на 32-70 %, наиболее явно это наблюдается на абаксиальной стороне, что очень важно для повышения эффективности вносимых препаратов, а следовательно и снижении их расхода.
Список использованных источников:
1. Догода П.А., Павленко Е.Я., Сорока В.Л., Догода Н.П., Догода А.П. Эффективность внедрения энергосберегающей технологии применения средств защиты растений // Теоре-тичний i науково-практичний журнал шженерно! академп Украши. Вюник
References:
1. Dogoda P.A., Pavlenko E.Ya., Soroka V.L., Dogoda N.P., Dogoda A.P. Efficiency of implementation of energy-saving technology of application of plant protection tools // Theoretical and scientific-practical Journal of the Engineering Academy of Ukraine.
72
шженерно! академп Украши. Кшв. -2005. - C. 110-115.
2. Patel M.K., H.K. Sahoo, M.K. Nayak, A. Kumar, C. Ghanshyam, A. Kumar, 2015. Electrostatic Nozzle: New Trends in Agricultural Pesticides Spraying. SSRG International Journal of Electrical and Electronics Engineering (SSRG-IJEEE) - EFES April 2015, ISSN:2348 - 8379. - P. 6-11.
3. Применение электрически заряженного аэрозоля при химической защите растений / П.А. Догода, А.П. До-года, В.В. Красовский [и др.] // Магарач. Виноградарство и виноделие. - 2021. -Т. 23. - № 2(116). - С. 173-177.
4. Urkan, Erkan & Guler, Huseyin & Komekfi, Firat. A Review of Electrostatic Spraying for Agricultural Applications. Journal of Agricultural Machinery Science. - 2016. - P. 229-233.
5. Kulon J., Malyan B.E., Balachan-dran W. Simultaneous measurement of particle size and electrostatic charge distribution in DC electric field using phase doppler anemometry. IEEE Trans. Ind. Appl. 39 (5). - 2003. - P. 1522-1528.
6. Догода, П. А. Исследование обработки абаксиальной поверхности сорных растений гербицидами / П.А. Догода, Э.Ш. Османов // Известия сельскохозяйственной науки Тавриды. - 2021. - № 25(188). - С. 72-79.
Bulletin of the Engineering Academy of Ukraine. Kiev. - 2005. - P. 110-115.
2. Patel, M. K., H. K. Sahoo, M. K. Nayak, A. Kumar, C. Ghanshyam, A. Kumar, 2015. Electrostatic Nozzle: New Trends in Agricultural Pesticides Spraying. SSRG International Journal of Electrical and Electronics Engineering (SSRG-IJEEE) - EFES April 2015, ISSN:2348 - 8379. - P. 6-11.
3. The use of an electrically charged aerosol in chemical plant protection / P. A. Dogoda, A. P. Dogoda, V. V. Krasovsky [et al.] // Magarach. Viticulture and winemaking. - 2021. -T. 23. - № 2(116). - P. 173-177.
4. Urkan, Erkan & Guler, Huseyin & Kömekfi, Firat. A Review of Electrostatic Spraying for Agricultural Applications. Journal of Agricultural Machinery Science. - 2016. - P. 229-233.
5. Kulon, J., Malyan, B.E., Balachan-dran, W. Simultaneous measurement of particle size and electrostatic charge distribution in DC electric field using phase doppler anemometry. IEEE Trans. Ind. Appl. 39 (5). - 2003. - P. 1522-1528.
6. Dogoda, P. A. Investigation of the treatment of the abaxial surface of weed plants with herbicides / P.A. Dogoda, E.Sh. Osmanov //News of Agricultural Science of Taurida. - 2021. - № 5(188). -P. 72-79.
Сведения об авторах:
Догода Петр Ануфриевич - доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры технических систем в агробизнесес Института «Агро-технологическая академия» ФГАОУ
Information about the authors:
Dogoda Pyotr Anufrievich - Doctor of Agricultural Sciences, Professor of the Department of Technical Systems in Agribusiness of the Institute "Agrotechnological Academy" of the
73
ВО «КФУ имени В.И. Вернадского», e-mail: [email protected], 295492, Россия, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Институт «Агро-технологическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского».
Энвер Шевхийевич Османов -кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры технических систем в агробизнесе Института «Агротехнологическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: enver_hotboy@mail. ru, 295492, Россия, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Институт «Агротехнологическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского».
Догода Александр Петрович -кандидат технических наук, доцент кафедры технических систем в агробизнесе Института «Агротехнологи-ческая академия» ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: [email protected], 295492, Россия, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Институт «Агро-технологическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского».
Цолин Роман Александрович -аспирант кафедры технических систем в агробизнесе Института «Агро-технологическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: [email protected], 295492, Россия, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Институт «Агро-технологическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского».
FSAEI HE "V.I. Vemadsky Crimean Federal University", e-mail: petr.dogoda@ mail.ru, Institute "Agrotechnological academy" of the FSAEI HE "V.I. Vernad-sky Crimean Federal University", Agrarnoye v., Simferopol, Republic of Crimea, 295492, Russia.
Osmanov Enver Shevkhiyevich -Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer of the Department of Technical Systems in Agribusiness of the Institute "Agrotechnological Academy" of the FSAEI HE "V.I. Vernadsky Crimean Federal University", e-mail: enver_ [email protected], Institute "Agro-technological academy" of the FSAEI HE "V.I. Vernadsky Crimean Federal University", Agrarnoye v., Simferopol, Republic of Crimea, 295492, Russia.
Dogoda Alexander Petrovich -Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Technical Systems in Agribusiness of the Institute "Agrotechnological Academy" of the FSAEI HE "V.I. Vernadsky Crimean Federal University", e-mail:, e-mail: [email protected], Institute "Agro-technological academy" of the FSAEI HE "V.I. Vernadsky Crimean Federal University", Agrarnoye v., Simferopol, Republic of Crimea, 295492, Russia.
Tsolin Roman Alexandrovich -postgraduate student of the Department of Technical Systems in Agribusiness of the Institute "Agrotechnological Academy"of the FSAEI HE "V.I. Vernadsky Crimean Federal University", e-mail: roman. [email protected], Institute "Agro-technological academy" of the FSAEI HE "V.I. Vernadsky Crimean Federal University", Agrarnoye v., Simferopol, Republic of Crimea, 295492, Russia.
74
