Method and pneumatic device for reduction of coalescence of drops in spray cones of liquid in plant protection

Full Text

Введение Основной способ защиты растений от вредителей, болезней и сорняков - опрыскивание растворами пестицидов. На практике оно осуществляется в основном штанговыми опрыскивателями с применением щелевых распылителей жидкости. Это обусловлено тем, что гидравлическое распыление жидкости самое экономичное - при распыливании 1 т жидкости затрачивается от 2 до 4 кВт [1]. Эта технология получила широкое распространение благодаря сравнительной простоте. Для равномерности распределения жидкости по ширине захвата и исключения сноса капель в окружающую среду необходимо соблюдение следующих условий: - высота расположения распылителей над объектом обработки не более 0,5 м; - расстояние между распылителями на штанге 0,5 м; - скорость передвижения опрыскивателя не более 3,33 м/с (12 км/ч); - расход рабочей жидкости 200-250 дм3/га. При таких условиях функционирования штанговых опрыскивателей большая концентрация создаваемых полидисперсных капель в начальной области факелов распыляемой жидкости приводит к их коагуляции (слиянию аэрозольных частиц при соприкосновении друг с другом). Это основная причина неэффективного применения крупнодисперсного аэрозоля, капли которого скатываются с листьев растений на почву, загрязняя ее пестицидами [2, 3]. Коагуляция аэрозолей при перемешивании в турбулентном потоке изучена недостаточно [4] и применительно к факелам щелевых распылителей в составе опрыскивателя не изучалась. Цель исследования Цель исследования - изучение закономерностей, обусловливающих коагуляцию капель в факелах распыляемой жидкости. Материалы и методы После дробления жидкости при выходе из сопла распылителя капли взаимодействуют с окружающим воздухом, который может существенно деформировать их или полностью разрушать [4]. На это взаимодействие накладывается нестационарность режима движения капель: они могут тормозиться или ускоряться потоком воздуха. В связи с тем, что первоначальный распыл полидисперсен, на некотором расстоянии от распылителя скорость капель различных размеров может существенно различаться, что служит причиной их взаимных столкновений. Этому может способствовать также пересечение траекторий движения частиц, обусловленное одновременной работой нескольких близко установленных распылителей. Мелкие капли при сближении с более крупными могут сталкиваться с ними или огибать их, попадая в поля их обтекания воздухом. Образующаяся при диспергировании жидкости двухфазная система по мере дальнейшего развития и движения претерпевает существенные изменения. В результате взаимодействия с окружающим воздухом капли в факеле затормаживаются или ускоряются, происходит эжекция воздуха в полость факела, изменяется траектория движения капель и т.д. [1]. Явление коагуляции наблюдается в различных физических ситуациях: в растворах - броуновская коагуляция, при образовании капель дождя - гравитационная, коагуляция капель распыленного топлива за форсунками в камерах сгорания - турбулентная [5]. Количественная теория кинетики коагуляции изложена во многих работах [4, 6, 7]. В факелах распыла жидкости за форсункой основной механизм, вызывающий увеличение размеров капель, - турбулентная коагуляция, при которой относительные скорости между частицами вызываются турбулентным ускорением и напряжением трения [5]. Характер увеличения размеров капель по времени (расстоянию) зависит от их начального размера. Наибольший рост капель в этом случае наблюдается в начальный момент коагуляции. Из-за инертности среды системы с газообразной дисперсной средой, в частности аэрозоли, отличаются крайней агрегативной неустойчивостью [7]. Эти системы обладают лишь кинетической устойчивостью и поэтому не могут существовать при больших концентрациях. Число частиц в 1 см3 аэрозоля редко превышает 107. Сохранение первоначальной концентрации, создаваемой распылителем, обусловливает содержание частиц в единице объема, не превышающее определенное число. Критическое расстояние, на котором происходит взаимодействие между частицами, принято приблизительно равным сумме радиусов частиц, что соответствует их непосредственному контакту [7]. Частицы при турбулентном движении коагулируют из-за турбулентных пульсаций. В турбулентном потоке газа механизм ускорения достигает наибольшего эффекта. Коагуляция осуществляется в нем именно в связи с различием в плотностях газового потока и частиц аэрозоля. Скорости движения частиц в полидисперсных системах существенно различаются, так как зависят от массы. Различие в скоростях приводит к встрече частиц, сопровождающейся их коагуляцией. Для полидисперсных систем скорость коагуляции в значительной степени определяется скоростью газового потока. При турбулентном движении особенно сильно искажаются линии тока мелких частиц, движущихся мимо крупных, поэтому каждая встреча частиц, рассчитанная для прямолинейных траекторий, приводит к коагуляции. При относительном движении частиц разных размеров происходит кинематическая коагуляция, которая возникает под воздействием разных сил и при разных скоростях. При образовании аэрозольных частиц в процессе диспергирования жидкости существует также баллоэлектрический эффект, связанный с разрывом двойного электрического слоя и неравномерным распределением зарядов на дочерних каплях. Крупные и мелкие капли при разрыве приобретают заряды разных знаков. При наличии противоположно заряженных частиц аэрозоля коагуляция ускоряется [8]. Результаты и их обсуждение Для снижения коагуляционной активности капель в щелевых факелах распыла рабочей жидкости предложен способ их инжектирования воздушной струей с последующим транспортированием воздушно-капельной системы к растениям [9, 10]. Общий вид пневмогидравлического устройства и процесс инжектирования капель показаны на рис. 1. При лабораторных исследованиях снижение коагуляции капель оценивалось по сравнительным показателям их нанесения на предметные карточки традиционным и разработанным способами. Результаты снижения коагуляционной активности капель в щелевых факелах распыла рабочей жидкости проиллюстрированы сравнительными показателями, приведенными на рис. 2 и в таблице. На рис. 2, а графически представлено усредненное трехкратной повторностью распределение густоты покрытия, капель/10-4 м2, по ширине захвата опрыскивателя с типом сопла LU-02 AD-02 (код цвета желтый), полученное при традиционном способе опрыскивания и средней скорости движения агрегата 5,22 м/с (18,8 км/ч). Полиномиальные ряды 1, 2, 3 на рис. 2 представляют данные суммарного распределения накопленного на карточках количества капель, капель/10-4 м2, и включают диапазоны капель соответственно от 0 до 150 мкм, от 150 до 300 мкм, 300 мкм и более [11]. Приведенные на рис. 2, а данные свидетельствуют о том, что количество крупных капель (300 мкм и более) на единицу обрабатываемой площади примерно в 2,5 раза больше, чем суммарное количество капель размером от 0 до 150 мкм и от 150 до 300 мкм. На рис. 2, б графически представлено усредненное трехкратной повторностью распределение густоты покрытия, капель/10-4 м2, по ширине захвата пневмогидравлических устройств при их оснащении соплами LU-02 AD-02 (код цвета желтый) и средней скорости движения агрегата 5,3 м/с (19 км/ч). Приведенные на рис. 2, б графические данные о распределении густоты покрытия свидетельствуют о незначительном, но увеличении количества мелких и средних капель, диаметры следов которых составляют от 0 до 150 мкм и от 150 до 300 мкм, и об уменьшении количества капель размером более 300 мкм. Отметим, что при разработанном способе опрыскивания количество капель размером более 300 мкм примерно в 1,5 раза меньше, чем при традиционном способе. Значения показателей стандартного отклонения и коэффициента вариации следов капель подкрашенной жидкости на предметных карточках при лабораторных испытаниях разработанного и традиционного способов опрыскивания для двух скоростей движения опрыскивателя приведены в таблице. Значения показателей стандартного отклонения и коэффициента вариации при лабораторных испытаниях разработанного способа опрыскивания в сравнении с традиционным Статистические характеристики выборки Диаметр следов капель, мкм От 0 до 150 От 150 до 300 Более 300 Традиционный способ опрыскивания При средней скорости движения агрегата 4,11 м/с (14,8 км/ч) Стандартное отклонение 4,14 3,86 5,33 Коэффициент вариации, % 34,18 36,08 18,15 При средней скорости движения агрегата 5,22 м/с (18,8 км/ч) Стандартное отклонение 6,06 5,66 8,9 Коэффициент вариации, % 44,89 43,84 22,18 Разработанный способ опрыскивания При средней скорости движения агрегата 4,31 м/с (15,5 км/ч) Стандартное отклонение 2,46 3,7 7,8 Коэффициент вариации, % 21,97 27,57 29,23 При средней скорости движения агрегата 5,3 м/с (19 км/ч) Стандартное отклонение 3,08 3,37 6,22 Коэффициент вариации, % 21,69 21,59 27,51 При средней скорости движения машинно-тракторного агрегата в опытах 4,31 м/с (15,5 км/ч), производительности двух насадок в пневмогидравлическом устройстве 1,26 дм3/мин, создаваемом давлении жидкости 0,2 МПа и ширине захвата одним пневмогидравлическим устройством 300 см расход рабочего раствора составил 16,26 дм3/га. При традиционном варианте расположения распылителей на штанге опрыскивателя через 50 см, скорости движения агрегата 4,11 м/с (14,8 км/ч) и производительности насадки 0,63 дм3/мин расход рабочего раствора составил 51,1 дм3/га, что в 3,14 раза больше, чем в разработанном варианте. Выводы 1. Разработанный способ снижения коагуляции капель и их последующего транспортирования на объекты обработки с применением пневмогидравлических устройств в штанговом опрыскивателе с воздушным рукавом удовлетворяет требованиям международного стандарта по плотности покрытия (N = 20…30 капель/см2) [11]. 2. Преимущество разработанного способа нанесения капель на объекты обработки состоит и в том, что внешняя часть воздушной струи, выходящей из сопла пневмогидравлического устройства, препятствует уносу капель во внешнюю среду [12]. 3. Результаты проведенных исследований и лабораторных испытаний могут служить основанием для дальнейшего изучения и практического применения экономичных, экологичных и высокопроизводительных технологий применения пестицидов в растениеводстве с целью защиты растений от вредителей, болезней и сорняков.

About the authors

I. M Kireev

Russian Research Institute of Information and Technical and Economic Studies on Engineering and Technical Provision of Agro-Industrial Complex, Novokubansk branch

DSc in Engineering Novokubansk, Russia

Z. M Koval'

Russian Research Institute of Information and Technical and Economic Studies on Engineering and Technical Provision of Agro-Industrial Complex, Novokubansk branch

Email: zinakoval@mail.ru
PhD in Engineering Novokubansk, Russia

References

Supplementary files