Совершенствование распыливающих устройств опрыскивателей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Сельское хозяйство

УДК 632.382

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАСПЫЛИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ ОПРЫСКИВАТЕЛЕЙ В.П. Капустин, Е.В. Бирюкова

Кафедра «Механизация сельского хозяйства», ГОУВПО «ТГТУ» Представлена членом редколлегии профессором Н.Ц. Гатаповой

Ключевые слова и фразы: дроссельная шайба-вставка; камера закручивания; монодисперсный распыл; периферийные каналы; ультрамалообъемное опрыскивание.

Аннотация: Представлены обоснование и расчет параметров и режимов работы щелевых сельскохозяйственных распылителей с дроссельной шайбой-вставкой.

Осуществляемые мероприятия по химической защите растений ежегодно позволяют сохранить 17...18 млн т зерна, 10...11 млн т картофеля, 13...14 млн т сахарной свеклы и многие другие виды сельскохозяйственной продукции [1]. Вместе с тем, увеличение объемов применения средств химической защиты растений при несовершенстве технологии и технических средств, несоблюдение агротехнических и технологических требований приводят к перерасходу пестицидов и повышению уровня загрязнения окружающей среды.

Повысить показатели качества опрыскивания можно за счет контроля и регулирования дозы внесения, снижения дозы внесения и потерь препарата путем перехода на ультрамалообъемное опрыскивание, повышения приспособленности агрегатов к работе на полях с переменным рельефом.

Использование малообъемного опрыскивания, например, позволяет снизить нормы расхода препаратов на 25.30 %, что позволяет на 40 % увеличить производительность агрегатов и снизить уровень загрязнения окружающей среды [2].

В Тамбовском государственном техническом университете разработана дроссельная шайба-вставка для щелевых распылителей. В результате качество распыла приближается к монодисперсному: 120.250 мкм для распылителей РЩ 1100,6 и РЩ 110-1,0; 250.380 мкм - для РЩ 110-1,6 и РЩ 110-2,5.

Установка шайбы-вставки приводит к стабилизации давления распыла в камере закручивания и уменьшению турбулентности движения рабочей жидкости, избегая перерасхода ядохимикатов, при этом повышается качество опрыскивания растений без загрязнения окружающей среды.

Устройство для распыления жидкости (рис. 1) содержит: дроссельную шайбу-вставку 1 диаметром ёш с каналами 2 диаметром йк, установленную в съемной гайке-держателе 3 между подводящей трубкой 4 и корпусом щелевого распылителя 5 с керамической вставкой (форсункой) 6 [3].

Каналы 2 в дроссельной шайбе-вставке 1 выполнены прямолинейными. Центральный канал параллелен оси потока жидкости. Через четыре крайних канала перепуск жидкости производится на периферии камеры закручивания 7 щелевого распылителя.

гTtn

tc

Виа с

Б-Б

Рис. 1. Устройство для распыления жидкости с дроссельной шайбой-вставкой

Дроссельная шайба-вставка 1 свободно устанавливается в съемной гайке-держателе 3, но плотно между подводящей трубкой 4 и корпусом щелевого распылителя 5.

Устройство для распыления жидкости работает следующим образом. Исходный раствор ядохимикатов под давлением подается в подводящую трубку 4, разделяется на отдельные струи: центральную и периферийные.

Истекающие из крайних четырех каналов струи не закручены, но они закручиваются, когда жидкость перепускается на периферию камеры закручивания 7, где потери на закручивание потока минимальные и сопротивление уменьшается. Полученный поток жидкости направляется к конусному каналу керамической вставки 6 корпуса щелевого распылителя 5. При отсутствии центрального канала закрученное движение характеризовалось бы пониженным давлением по оси.

Камера закручивания 7 образуется между дроссельной шайбой-вставкой 1 и корпусом щелевого распылителя 5 с керамической вставкой (форсункой) 6. Камера закручивания способствует стабилизации давления распыла и уменьшает турбулентность движения рабочей жидкости.

При контакте с дроссельной шайбой-вставкой 1 жидкость подвергается усиленной турбулизации. После прохода через каналы 2 дроссельной шайбы-вставки 1 , где происходит предварительное дробление жидкости до мелкой фракции, полученный поток направляется к выходу из щелевого распылителя, где происходит окончательной дробление дисперсной фазы и качество распыла приближается к монодисперсному.

Одним из основных назначений дроссельной шайбы-вставки, представляющей собой диск с одним центральным (осевым) каналом и четырьмя каналами, наклоненными к периферии камеры закручивания, не перпендикулярными радиу-

5

6

су дроссельной шайбы-вставки, является создание условий получения монодис-персного распыла (120.250 и 250.380 мкм) без изменения объема камеры закручивания. При этом искомыми параметрами являются: диаметр ёш и высота к дроссельной шайбы-вставки, диаметр ёк каналов дроссельной шайбы-вставки, количество каналов, угол наклона а и взаимное расположение каналов в дроссельной шайбе-вставке. Эти параметры зависят от многих факторов: от давления, создаваемого насосом, диаметра выходного отверстия распылителя, геометрических размеров камеры закручивания, диаметра сопла щелевого распылителя и других.

Основными факторами, влияющими на конструктивно-режимные параметры, являются расход рабочей жидкости через сопло, сопротивление дроссельной шайбы-вставки и медиано-массовый диаметр капель.

Параметры дроссельной шайбы-вставки определены в соответствии с геометрическими параметрами съемной гайки-держателя, подводящей трубки и корпуса щелевого распылителя.

Диаметр дроссельной шайбы-вставки приняли равным внешнему диаметру подводящей трубки и диаметру щелевого распылителя.

Количество и расположение каналов дроссельной шайбы-вставки определяются исходя из конструктивных параметров камеры закручивания в щелевом распылителе. Такая камера закручивания образуется при установке дроссельной шайбы-вставки. Внутренний диаметр камеры закручивания дроссельной шайбы-вставки равен 9 мм. Исходя из этого параметра, максимальное количество каналов приняли равным пяти. Диаметр канала ёк равен 1,5.2 мм. Межосевое расстояние между наклонными каналами ё = 5,5 мм.

Угол наклона периферийных каналов определяется таким образом, чтобы струя жидкости из канала полностью перекрывала вертикальную стенку камеры закручивания [4-6].

Угол наклона определен экспериментальным путем при испытании шайб, изготовленных с изменением угла наклона канала через полградуса, начиная с 17 до 30°. Оптимальный угол наклона канала для установки в щелевые распылители находится в пределах 20.23°.

В качестве основных предпосылок для теоретического описания протекающих в щелевом распылителе процессов приняли следующие допущения:

- в камере смещения и в сопловом канале происходит перенос поступательной и вращательной энергий (рис. 2);

- вследствие развития сдвигового слоя происходит взаимное проникновение потоков с переносом вещества из одного слоя в другой. Причем интенсивность переноса пропорциональна степени закручивания потока;

- единый профиль скорости в сопловом канале формируется на расстоянии до трех его диаметров от точки присоединения потоков;

- результирующий профиль аксиальной составляющей скорости, ввиду сложности его определения, может быть задан постоянным. Однако возможность образования воздушного вихря на оси факела должна быть учтена, так как известны случаи распределения жидкости с глубоким провалом по оси;

- профиль тангенциальной составляющей скорости в сопловом канале без больших погрешностей зададим зависимостью

®сф _ ®сгп/^с , (1)

где юс - скорость в сопловом канале; гп - текущий радиус потока жидкости; Яс - радиус сопла.

Рис. 2. Схема взаимодействия потоков жидкости в камере закручивания:

1 - камера закручивания; 2 - корпус; 3 - керамическая вставка; 4 - сопло

При течении идеальной жидкости для любых двух сечений потока справедливо уравнение Бернули

2 юЖ + Рж = Рст + 2 Йх + юЦ (2)

где юж и Рж - скорость и давление жидкости в подводящем трубопроводе соот-

ветственно; Рст - статическое давление, обусловленное закручиванием потока; юсх - аксиальная составляющая скорости в сопловом канале; р - плотность жидкости.

Принимаем, что скорость жидкости в подводящем трубопроводе пренебрежимо мала и истечение происходит из сосуда достаточно большой емкости. Тогда 2

Рж >> рюж и уравнение (2) примет вид

Рж = Рст +2 (®сх + юсф) . (3)

Из уравнения (2) следует, что энергия давления в подводящем трубопроводе

расходуется на создание аксиальной и тангенциальной составляющих скорости жидкости в сопловом канале и статического давления, обусловленного закручиванием потока.

Распространяя выражение (3) на весь поток в сопловом канале и учитывая неравномерность распределения скоростей и давление по сечению, перейдем к средним значениям этих величин:

Расход жидкости через сопловое отверстие равен суммарному расходу через осевой (центральный) и наклонные (периферийные) каналы дроссельной шайбы-вставки

Ос = Оо + Он. (5)

Запишем выражения для расходов жидкости, входящих в (5):

Ос = юс/сфс ; Оо = юо./офо ; Сн = юн/нфн, (6)

где юс, юо, юн - скорости жидкости в сопловом, осевом и наклонном каналах соответственно; /с, /о, /н - площади поперечного сечения соплового, осевого и наклонного каналов соответственно, фс, фо, фн - коэффициенты заполнения соплового, осевого и наклонного каналов соответственно.

Считаем, что закручивающие наклонные и осевой каналы полностью заполнены жидкостью. Тогда коэффициенты ун = уо = 1, а коэффициент заполнения соплового канала ус определяется зависимостью

Тс = 1 - Дих/ Д2, (7)

где Двих и «с - радиусы вихря и сопла соответственно.

При отсутствии потерь на трение в наклонных и осевом каналах дроссельной шайбы-вставки можно положить юн = юо. Тогда, решая систему уравнений (5) и

(6) относительно юн, найдем, как связана скорость в наклонных каналах юн с ак-

сиальной составляющей скорости в сопловом отверстии юсх

юн = ^сх/сфс . (8)

н I /н + /о

С учетом предположения о полном смешении обоих потоков жидкости в камере закручивания и в сопловом канале, можно считать, что поток момента импульса, приобретаемый жидкостью в наклонных каналах, остается постоянным по всей длине сопла, то есть

1н = ьс. (9)

В общем случае поток момента импульса через произвольное сечение круглой формы определяется выражением

«2

L - 2пр | r 2шх(йфёг, (10)

«1

где г - радиус трубы; юх, Юф - аксиальная и тангенциальная скорости потока

жидкости соответственно; «1 - радиус вихревого потока; «2 - радиус сопла; ёг - элементарный радиус.

Суммарный поток момента импульса Ьн, приобретаемый жидкостью при прохождении через наклонные каналы, определяется зависимостью

где «н - радиус наклонного канала.

После подстановки соотношения (1) в уравнение (1O) и интегрирования от «вих до Rc получим

«с З

r

L = 2np J «сх«сф 2dr.

«вих Rc

После несложных преобразований с учетом ®сх = const последнее выражение можно переписать в виде

L0 = ~/cRc«cx «сун (2 — фc )tPc. (12)

Решая совместно уравнения (7), (9), (11) и (12), найдем отношение составляющих скорости жидкостного потока у стенки соплового канала

«ф= 2 «н sin (1З)

«сх Rc i/о +Z /н) 2-фс

Обозначим A = R]L sin а—/c ^ /н „ - геометрический комплекс, характеризую-

Rc ff +Z / )2

щий соотношение вращательной и поступательной энергии в сопловом канале. Комплекс А является геометрической характеристикой щелевого распылителя с дроссельной шайбой-вставкой.

Тогда

—сф = 2 Афс

—сх 2 - фс

Для определения расходных характеристик распылителя определим средние значения величин, входящих в уравнение (3).

Статическое давление в любой точке соплового канала обусловлено закручиванием потока.

Разность сил давления на боковую поверхность элемента жидкости толщиной dz, длиной di, расположенного на радиусе r от оси сопла, уравновешивает центробежную силу [7]

dldPCT = —^ dr. r

Так как масса элемента жидкости dm = pdidz, то с учетом распределения тангенциальной компоненты скорости (1) имеем

2

dP ст = р—^ rdr.

Rc2

Взяв от этого выражения интеграл по текущему радиусу г, получим распределение статистического давления по сечению соплового канала

Рст(г) = Р-^у (г2 + с) •

2ре2

Постоянную интегрирования «с» определим из условия равенства нулю давления на границе воздушного вихря

ш2

Рст (r ) = p-«£f2 ( 2 + «в2их ).

2ре2

Среднее статистическое давление в сопловом канале равно отношению силы давления к площади истечения

Рст = Р/с .

Элемент силы йР = Рст (г)й/, а элемент поверхности й/ = 2пЯс йг. Тогда

среднее статистическое давление будет выражаться соотношением (14), а среднерасходное значение тангенциальной составляющей скорости - уравнением (15).

Рст = (14)

4

-2 = ш2 (2-фс) (15)

-сф =------2----• (15)

Решая уравнения (4), (13) - (15), получим выражение для определения акси-

альной составляющей скорости жидкостного потока в сопловом канале

Рж

( 2 , Л

і Фс: А 1 +----2-£—

-0,5

(2 -ф^2 у

(1б)

Расход жидкости через сопловое отверстие составит

О = Шс/еР- (17)

На основе соотношений (16) и (17) с учетом, что теоретический расход

О = юехЛ/2Рж /р, можно показать, что коэффициент расхода щелевого распылителя

V ф2 + АV (2-ф2 )

0,5. (18)

Для определения связи между коэффициентом заполнения сопла и компонентом А предлагается воспользоваться принципом максимума расхода, которому эквивалентно условие минимума удельной энергии живого сечения при отсутствии потерь на трение. Для этого продифференцируем соотношение (18) по фс и приравняем полученное выражение к нулю. Из этого равенства получаем

А2 =[2 -Фс )фс ]3. (19)

«cx

Полагая здесь фс = 1, получим условие сплошного заполнения соплового канала щелевого распылителя:

А = 1.

Таким образом, если А < 1, то сопло заполнено полностью, при А > 1 в сопловом канале образуется воздушный вихрь.

Проведенные теоретические исследования позволяют определить режимы и параметры течения жидкости в щелевом распылителе с дроссельной шайбой-вставкой: скорость, расход и давление.

Список литературы

1. Совершенствование технологий и технических средств опрыскивания растений (обзор, анализ, теория). Ч. 1 / В.П. Белогорский [и др.]. - Воронеж : Истоки, 2005. - 88 с.

2. Настройка, регулировка и организация работы машин для химической защиты растений (Рекомендации) / И.Г. Савин [и др.]. - Краснодар : Изд-во Кубан. аграр. ун-та, 2000. - 75 с.

3. Пат. 64533 Российская Федерация, МПК7 В 05 В1/34. Дроссельная шайба-вставка / Капустин В.П., Бирюкова Е.В. ; заявитель и патентообладатель Тамб. гос. техн. ун-т. - № 205133564/22 ; заявл. 31.10.05 ; опубл. 10.07. 07, Бюл. № 19. -

1 с. : ил.

4. Теория турбулентных струй / Г.Н. Абрамович [и др.] ; под ред. Г.Н. Абрамовича. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М. : Наука, Глав. ред. физ-мат. лит., 1984. -388 с.

5. Рабинович, Е.З. Гидравлика : учеб. пособие для вузов / Е.З. Рабинович. -М. : Недра, 1980. - 278 с.

6. Общетехнический справочник / под ред. Е.А. Скороходова. - 4-е изд., испр. - М. : Машиностроение, 1990. - 496 с.

7. Головачевский, Ю.А. Оросители и форсунки скрубберов химической промышленности / Ю.А. Головачевский. - М. : Машиностроение, 1967. - 196 с.

Sprayer Units Improvement V.P. Kapustin, E.V. Biryukova

Department “Mechanization of Agriculture”, TSTU

Key words and phrases: mono-disperse spraying; peripheral channels; throttling orifice; twisting chamber; ultra low volume spraying.

Abstract: The paper presents theoretical justification and calculation of both parameters and working modes of slot sprayers with throttling orifice.

Vervollkommnung der pulverisierenden Sprtihgerate

Zusammenfassung: Es ist die Begrundung sowohl die Berechnung der Parameter als auch der Regimes der Arbeit der Spaltspritzrohre mit der Drosselschei-beeinsatz dargelegt.

Perfectionnement des installations de dispertion des asperseurs

Resume: Est presente le fondement et le calcul des parametres et des regimes du fonctionnement des asperseurs a fissure avec une rondelle d’etranglement.