Technological process of field crops spraying with slotted sprayers

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время опрыскивание растений при их защите от сорняков, вредителей и болезней в большей степени осуществляется щелевыми распылителями жидкостями в штанговых опрыскивателях согласно рекомендациям, изложенным в специальных каталогах. Для плоскоструйного распылительного наконечника в таблицах приведены значения давлений, Бар, производительность одной насадки, дм³/мин, расход жидкости, дм³/га, для скоростей движения опрыскивателя от 4 км/ч до 35 км/ч. Приведена также цветовая кодировка категорий ММД капель, мкм: самые мелкие ≈ 50 мкм, очень мелкие < 136 мкм, мелкие 136–177 мкм, средние177–218 мкм, крупные 218–349 мкм, очень крупные 349–428 мкм, самые крупные 428–622 мкм, крайне крупные > 622мкм. Классы размеров капель представлены в специальных таблицах для помощи при выборе соответствующего распыляющего наконечника. Классификация размера капель основана на классификации BCPC и создана в соответствии со стандартом ASABE 5572,1 [1–3].

Насадки, которые создают капли меньше средних, обычно рекомендуют для послевсходовых обработок, требующих полного охвата целевой зоны. В данном случае, применяемые жидкости включают гербициды, инсектициды и фунгициды. Насадки, создающие капли от среднего размера до крайне крупного, предлагают менее тщательное покрытие, но значительно улучшенный контроль сноса. Данные насадки в основном используют для систематического и довсходового применения гербицидов. Сообщается при этом, что размер капель играет важную роль в достижении наиболее эффективного результата в использовании определенного химиката для растений при обработке в зоне покрытия или опрыскивания вне целевой зоны.

При аэрозольной обработке растений важными показателями являются размеры и число капель/см² на объектах обработки. Требуемые критерии размеров капель для применения пестицидов основным способом опрыскивания объектов обработки следующие:

• Медианно-массовые диаметры (ММД) капель при лиственной защитной обработке фунгицидами и инсектицидами имеют пределы от 226 мкм до 325 мкм.
• При почвенной обработке системным пестицидом интервал требуемых ММД капель увеличен от 326 мкм до 400 мкм.
• При применении гербицидов для лиственной послевсходовой обработки контактным пестицидом пределы ММД капель составляют от 226 мкм до 325 мкм.
• При применении гербицидов для лиственной послевсходовой обработки системным пестицидом пределы ММД капель составляют от 226 мкм до 400 мкм.
• Почвенная гербицидная обработка системным пестицидом требует увеличенного диапазона ММД капель от 401 мкм до 500 мкм и > 500 мкм.
• Число капель/см² при применении фунгицидов имеет пределы от 50 до 70, инсектицидов – от 20 до 30, а гербицидов – от 20 до 40.

Выполнение требуемых критериев размеров капель для рациональной технологии применения пестицидов щелевыми распылителями жидкости является задачей настоящих исследований.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ

Совершенствование технологического процесса опрыскивания растений с применением пневмогидравлических щелевых распылителей жидкости.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для достижения поставленной цели применялось оборудование для фотографирования факела распыла жидкости, общий вид которого приведен на рис. 1 [4].

 

Рис. 1. Общий вид оборудования для фотографирования факела распыла жидкости: 1 – цифровой аппарат; 2 – осветители; 3 – экран; 4 – ПК; 5 – ИБП для ПК.

 

Фотоаппарат устанавливался на стендовом оборудовании и соединялся кабелем с компьютером. Оптическая ось цифрового фотоаппарата направлялась перпендикулярно плоскости факела распыляемой жидкости и экрана 3, расположенного за распылителем.

Факел распыляемой жидкости освещался источниками света 2, установленными к нему под углом 30 °.

Фотографирование факела распыляемой жидкости при постоянном ее давлении осуществлялось с использованием цифрового фотоаппарата, а изображения передавались на компьютер.

Образованные внешними границами факела распыла углы определялись программно и высвечивались на экране монитора компьютера по полученному контрастному изображению.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБСУЖДЕНИЕ

Выполнение агротехнических требований по дисперсности капель при применении щелевых распылителей жидкости в технологии опрыскивания растений зависит от типа применяемого сопла и давления жидкости для получения классовых размеров капель, создаваемых в единицу времени применительно к скорости движения опрыскивателя, и их количества. При применении щелевых распылителей жидкости создается полидисперсная система капель при дроблении пленки жидкости, вытекающей из щелевого сопла, которая образует веерообразную пленку, плоскую с двух сторон. Разрушение пленки есть следствие развития в ней колебательных процессов. Возникновение последних обусловлено внешними и внутренними факторами. К внешним относятся аэродинамические силы, которые стремятся деформировать и разорвать пленку, а к внутренним – возмущения, обусловленные качеством изготовления распылителя, его вибрациями, конструктивными особенностями и т. п. [5]. На процесс распада пленки влияют также физические свойства применяемой жидкости и окружающей среды. Вязкость жидкости оказывает стабилизирующее воздействие, затрудняя развитие волновых явлений, а следовательно, и распыливание; при увеличении поверхностного натяжения наблюдается замедление распада струи жидкости [5]. Распад плоской пленки обусловлен двумя основными причинами: во-первых, возникновением на пленке отдельных перфораций, которые постепенно увеличиваются до образования сетки, состоящей из тонких нитей, распадающихся на много мелких капель; во-вторых, образованием на пленке перпендикулярно направлению потока неустойчивых волн (амплитуда которых возрастает при удалении от кромки сопла), приводящих к распаду пленки на капли [5]. При скоростях жидкости из сопла размеры пленки изменяются и долго сохраняется гладкая поверхность и целостность пленки. Такие пленки присутствуют в технологиях опрыскивания растений щелевыми распылителями жидкости (воды). Веерообразная форма струи, вытекающая из щелевого сопла, была рассчитана [5] полуэмпирическим методом. Схема расчета пленок жидкости, выходящих из щелевых сопел, представлена на рис. 2.

 

Рис. 2. Схема пленки жидкости, вытекающей из щелевого сопла (распылитель со щелевым соплом зеленого кода цвета, LU–015).

 

Пленка вытекает из узкой щели сопла, длина которого является d₀, а ширина – h₀. Толщина пленки δ изменяется с расстояния r от начала координат по закону δ=К_э/r (К_э – эмпирический параметр, мм², зависящий от отношения d₀/h₀). Зависимости коэффициента К_э и коэффициента расхода щелевого сопла μ от отношения d₀/h₀ приведены на рис. 3.

 

Рис. 3. Зависимости коэффициента К_э и коэффициента расхода щелевого сопла μ от отношения d₀/h₀.

 

При предположении [5–7], что на большей части контура пленки угол между касательной к контуру и радиусом вектором r не велик (рис. 2), известно следующее уравнение контура пленки:

$\text{2}{\psi }^{-1}r=1-\cos (\alpha -{\alpha }_0)+\frac{3}{2}\cos {(\alpha -{\alpha }_0)}^2$, (1)

где $\psi =\mathrm{0,5}{\rho }_{\text{ж}}{u}^2{К}_{\text{э}}$; $u=\mu \sqrt{\frac{2\Delta p}{{\rho }_{\text{ж}}}}$ – скорость жидкости пленки вдоль любой линии тока, м/с; ∆p – разность давлений жидкости, Па; ρ_ж – плотность жидкости, кг/м³.

Угол α₀ (рис. 2) определяется по формуле:

${\alpha }_0=\frac{\pi }{2}-\frac{Q}{2u{К}_{\text{э}}}$, (2)

где Q – расход жидкости, дм³/мин.

Расстояние а от начала контура пленки до плоскости щелевого сопла определяется из выражения $2a=d_{\text{o}}\mathrm{tg}{\alpha }_0$.

Длину нераспавшегося участка пленки $l=\frac{r^2}{{К}_{\text{э}}}$ при $\frac{{\rho }_{\text{ж}}}{{\rho }_{\text{в}}}>\mathrm{0,17}·{10}^3$ определяют по уравнению [5]:

$l=\mathrm{9,73}\cdot {10}^2{\left(\frac{{\rho }_{\text{ж}}}{{\rho }_{\text{в}}}\right)}^{\mathrm{1,5}}{\left(\text{We}\right)}^{-1}$, (3)

где ρ_в – плотность воздуха, кг/м³.

В уравнении (3) значение числа Вебера определяется по выражению

$\text{We}=\frac{{\omega }^2{{К}_{\text{э}}}^{\mathrm{0,5}}}{\sigma }$, (4)

где σ – поверхностное натяжение жидкости, Н/м.

Приведенные выше результаты исследований могут быть положены в основу для определения рациональной технологии штангового опрыскивателя с щелевыми распылителями жидкости. Выполнение требований по числу капель/см² на объекте обработки перекрытия факелов распыла жидкости обеспечивает равномерное распределение капель по ширине опрыскивания. Поэтому достаточно сведений о дроблении толщины пленки жидкости по оси факела распыла жидкости на капли и получения их числа в единицу времени. Оценка классовых размеров капель полидисперсного аэрозоля при этом может определяться на образующей длине элементарных участках dѕ пленки в лабораторных условиях [8–10]. Изображение пленки жидкости для различных режимов и условий функционирования щелевых распылителей возможно получать при помощи ее фотографирования цифровым фотоаппаратом с передачей изображения на монитор компьютера (рис. 1). Определение углов факела распыла характерно только для качества изготовления распылителей. Полученные при этом информационные сведения о дисперсности капель являются предварительными характеристиками распылителей.

В качестве примера реализации результатов исследований можно привести следующее: при применении щелевого сопла LU–015, давлении жидкости 4 МПа и расходе жидкости 0,68 дм³/мин при скорости ее движения (одинаковой по всем направлениям пленки) 23,35 м/с при К_э=222,5 в одну секунду образуется 729 688,8 капель. Такие условия при скоростях движения опрыскивателя 10 км/ч и 20 км/ч и ширине опрыскивания позволят обеспечить число капель 68,4 шт./см² и 24,2 шт./см² соответственно. Расходы рабочей жидкости при этом составляют 10,2 дм³/га и 5,1 дм³/га.

ВЫВОД

Результатами проведенных исследований показано, что рекомендации по рациональным технологиям применения щелевых распылителей жидкости опрыскиванием растений гербицидами, фунгицидами и инсектицидами при выполнении агротехнических требований по числу капель на объектах обработки можно получить в лабораторных условиях фотографированием факела распыла и расчетом скоростного режима движения опрыскивателя.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов. И.М. Киреев ― поиск публикаций по теме статьи, написание текста рукописи, экспертная оценка, утверждение финальной версии; З.М. Коваль ― написание текста рукописи, редактирование текста рукописи; Ф.А. Зимин ― создание изображений; М.В. Данилов ― поиск публикаций и проведение лабораторных опытов по теме статьи. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Научное исследование проведено в соответствии с научно-тематическим планом Минсельхоза России № 082-00086-22-01 за счет средств федерального бюджета.

Благодарность. Авторы выражают благодарность референту статьи Лысочкиной Людмиле Игоревне за уделенное статье время на отзыв.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. I.M. Kireev ― search for publications on the topic of the article, writing the text of the manuscript, expert opinion, approval of the final version; Z.M. Koval’ ― writing the text of the manuscript, editing the text of the manuscript; P.A. Zimin ― creating images; M.V. Danilov ― search for publications and laboratory experiments on the topic of the article. All authors identified the ICMJE criteria in their authors (all authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work).

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. The scientific study was carried out in accordance with the scientific and thematic plan of the Ministry of Agriculture of Russia No. 082-00086-22-01 at the expense of the federal budget.

Acknowledgments. The authors express their gratitude to the referent of the article, Lyudmila I. Lysochkina, for taking the time to review the article.

About the authors

Ivan M. Kireev

Novokubansk Branch of Russian Scientific and Research Institute of Information and Feasibility Studies on Engineering Support of Agricultural Industry

Email: kireev.I.M@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0723-4515
SPIN-code: 4348-1536

Dr. Sci. (Tech.), Leading Researcher, Head of the Laboratory of the Laboratory for Development of Test Equipment

Russian Federation, Novokubansk

Mikhail V. Danilov

Stavropol State Agrarian University

Email: danilomaster80@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8369-3329
SPIN-code: 5193-0379

Cand. Sci. (Engin.), Head of the Processes and Machines in Agribusiness Department

Russian Federation, Stavropol

Zinaida M. Koval’

Novokubansk Branch of Russian Scientific and Research Institute of Information and Feasibility Studies on Engineering Support of Agricultural Industry

Author for correspondence.
Email: zinakoval@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5214-2110
SPIN-code: 1378-2953

Cand. Sci. (Tech.), Chief Scientist of the Laboratory for Development of Test Equipment

Russian Federation, Novokubansk

Filipp A. Zimin

Novokubansk Branch of Russian Scientific and Research Institute of Information and Feasibility Studies on Engineering Support of Agricultural Industry

Email: philippza91@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6655-3976
SPIN-code: 4290-8248

Engineer of the Laboratory for Development of Test Equipment

Russian Federation, Novokubansk

References

Supplementary files