Pneumatic delivery and deposition of drops of working fluid on plants to protect them from pests, diseases and weeds

Full Text

Основной способ защиты вегетирующих с.-х. культур от болезней, вредителей и сорняков - опрыскивание, т.е. нанесение растворов пестицидов в жидко-капельном виде на обрабатываемые поверхности с требуемой дисперсностью и плотностью [1]. Инженерная цель решения этой задачи заключается в рациональном использовании пестицидов, сокращении потерь препаратов при проведении обработки, которые происходят из-за сноса распыленной жидкости ветром, скатывания крупных капель с листьев и по другим причинам [2]. Проблема сноса пестицидов в окружающую среду в настоящее время решается использованием инжекторных антисносных распылителей вместо стандартных, а также внедрением энергоемких дорогостоящих и сложных по конструкции штанговых опрыскивателей с воздушным сопровождением тех же стандартных распылителей, что позволяет уменьшить снос мелких капель и снизить рекомендуемые нормы применения пестицидов [3]. Однако отмечается [4], что внедрение такой технологии в широкую практику решает проблему лишь частично. Капли водных растворов диаметром менее 50 мкм зачастую уносятся за пределы обрабатываемого участка, а капли диаметром более 400 мкм малоэффективны и загрязняют почву. Эти и многие другие данные свидетельствуют о том, что в недостаточной степени решена проблема пневмотранспортирования распыляемой жидкости к растениям, определения условий осаждения капель и защиты от их уноса в окружающую среду. Процесс транспортирования капель воздушным потоком к растениям осуществляется при условиях, определяемых на основе интерполяционной зависимости между критериями Архимеда и Рейнольдса [5]: . (1) Эта зависимость действительна в интервале изменения критериев до Ar = 108. В формуле (1) критерий Рейнольдса отнесен к диаметру частицы и скорости ее витания. Скорость витания частицы сферической формы рассчитывают тремя способами. Первый способ предполагает определение критерия Архимеда по формуле: , (2) где g - ускорение свободного падения, м·с-2; d - диаметр капли, м; ρж - плотность жидкости при 20°C, кг·м-3; - плотность воздуха при 20°C, кг·м-3; ν - кинематическая вязкость воздуха при 20°C, м2/с; ν = 15,06·10-6. В работах [6-10] для расчета скорости свободного осаждения используют зависимость между критериями Лященко и Архимеда. Для ламинарного, переходного и турбулентного режимов предложены выражения: (1,8·10-2 < Ar < 28) Ly = 1,71·10-4 Ar2 ; (3) (28 < Ar < 5,8·104) Ly = 2,49·10-3 Ar1,2 ; (4) (5,8·104 < Ar < 5·109) Ly = 5,36·Ar0,5 . (5) По значению критерия Лященко определяют скорость витания: . (6) Выражения (1)-(6) позволили установить скорости воздушного потока, необходимые для переноса капель, создаваемых щелевыми распылителями, к объектам обработки. Для капель размером 5·10-4; 4·10-4; 3·10-4; 2·10-4; 1,5·10-4; 1·10-4 и 8·10-5 м скорости витания составляют 1,94; 1,48; 1,05; 0,65; 0,46; 0,28 и 0,19 м·с-1 соответственно. Осаждение на объектах обработки полидисперсных капель жидкости из воздушного потока осуществляется в результате действия различных механизмов [6]. Влияние того или иного механизма на осаждение частиц определяется целым рядом факторов, и в первую очередь размером частиц. Различен механизм осаждения взвешенных частиц из воздушного потока на передней и задней сторонах обтекаемого предмета. Теоретическое описание движения у обтекаемого предмета и осаждения на нем взвешенных в воздушном потоке капель сложное [7]. Поэтому для наиболее простого случая осаждения капель из воздушного потока на вертикальной поверхности, когда силу тяжести можно не учитывать и отсутствуют силы взаимодействия между поверхностью и каплей, определяющим критерием процесса осаждения служит критерий Стокса, выраженный известным уравнением: , (7) где ρ - плотность капли, кг/м3; d - диаметр капли, м; μ - вязкость воздуха, кг/(м·с); υ - скорость потока вдали от обтекаемого предмета, м/с; D - диаметр (или размер) предмета, м. Многие исследователи обозначают определяющий критерий буквой К и выражают его уравнением: . (8) По аналогии с процессами теплопередачи и диффузии значение коэффициента осаждения для передней стороны обтекаемого предмета выражают формулой: , (9) где m и n - коэффициенты, зависящие от критерия Стокса. По результатам опытов [8] по осаждению капель на передней стороне цилиндров диаметром 0,01 и 0,025 м рассчитаны коэффициенты n и m в формуле (9) для различных значений критерия Стокса (табл. 1). Таблица 1 Значения коэффициентов n и m для передней стороны цилиндров при различных значениях критерия Стокса Stk n m E 1 4,9 5,5·10-6 5,5·10-6 2 3,85 9,12·10-6 1,3·10-4 5 2,67 2,69·10-5 1,99·10-3 10 2,05 1,1·10-4 1,23·10-2 20 1,67 3,55·10-4 5,26·10-2 50 1,39 9,12·10-4 2,1·10-1 100 1,3 1,29·10-3 5,13·10-1 170 1,27 1,5·10-3 1 В докритической области движения потока капли не осаждаются на задней стороне предмета, так как траектория потока опережает их траектории движения. При достаточно большом значении критерия Рейнольдса у задней стороны образуются вихри, увлекающие взвешенные частицы, которые затем под действием центробежной силы оседают на этой части предмета. В данном случае критерий Стокса будет определяющим, а коэффициент осаждения также можно выразить уравнением (9). Известно [8-10], что при определенных критических значениях критерия Стокса частицы не должны осаждаться на предмете. Такие критические значения для некоторых предметов приведены в табл. 2. Таблица 2 Критические значения критерия Стокса Stkкр, ограничивающие процесс осаждения частиц на предметах различной формы Форма предмета Stkкр Источник информации Шар 0,75 [8-10] Цилиндр 1,13 [8-10] Круглый диск 1,76 [10] Пластина 2,25 [10] Данные [8, 9] указывают на то, что на практике ярко выраженные критические условия не встречаются. В области низких значений критерия Стокса зависимость lg E от lg Stk приближается к прямолинейной. Поэтому коэффициент осаждения равен нулю только в случае, если критерий Стокса тоже равен нулю. Такая закономерность выявлена учеными в опытах по нанесению ядохимикатов на растения [7]. Из данных о критических значениях критерия Стокса следует, что на вертикальном листе растения (если принимать его за диск диаметром 0,05 м) при скорости воздушного потока 1 м/с капли минерального масла диаметром менее 4·10-5 м (Stk = 1,5) не должны осаждаться. Однако на практике это не подтвердилось. При обработке растений ядохимикатами, растворенными в минеральном масле, на поверхности листьев оседают капли менее 1·10-5 м (Stk = 0,1), а оптимальный размер капель составляет около 3·10-5 м [11]. В технических расчетах в интервалах значений критерия Стокса 0,8-10 и 10-100 рекомендуется принимать линейную зависимость lg E и lg Stk [7]. При определении коэффициента осаждения капель для передней и задней сторон цилиндра в зависимости от критерия Стокса используются следующие уравнения [7]. Уравнение для коэффициента осаждения на передней стороне цилиндра Епер = 7·10-6 Stk3,5 справедливо при значениях критерия Стокса Stk = 10…100; уравнение для коэффициента осаждения на задней стороне цилиндра Езад = 2,66·10-4 Stk0,54 справедливо при Stk = 0,8…10. При Stk = 2,9 на передней и задней сторонах цилиндра осаждается одинаковое количество капель. При увеличении и уменьшении Stk это соотношение существенно изменяется: при увеличении Stk с 2,9 до 7,8 на передней стороне цилиндра осаждается в 10 раз больше вещества, чем на задней; во столько же раз сокращается осаждение вещества на цилиндре при уменьшении Stk с 2,9 до 1,29. По опытным данным, полученным разными авторами, закономерность осаждения капель на дисках и шаре примерно та же, что и на цилиндре. При этом наиболее высокое значение коэффициента захвата наблюдалось для шара и наименьшее - для цилиндра. При осаждении капель на растения важно их закрепление. Закрепление капель суспензии или жидкого препарата на листьях зависит прежде всего от способности поверхности смачиваться [12]. Листья растений имеют восковой налет в форме кристаллов, распределенных равномерно или беспорядочно по поверхности листа. На хорошо смачиваемых поверхностях восковые кристаллы отсутствуют. Листья, у которых восковой налет на 1 см2 площади составляет 15-40 условных единиц, обладают гидрофобными свойствами. Количество прилипшего препарата распределяется по растениям неравномерно как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Вертикальная неравномерность обусловлена тем, что большая часть препарата задерживается на внешней и верхней частях листьев. Кроме того, вертикальная неравномерность - следствие различной адгезии препарата к листьям растений. Даже на одной и той же стороне листа имеет место неравномерное распределение прилипшего препарата. Там, где закрепляется минимальное количество препарата, должен быть достигнут необходимый эффект его действия. Расход препарата равен произведению его минимального количества, гарантирующего эффективность, на коэффициент, учитывающий неравномерную адгезию препарата. Расход препарата зависит также от площади листа, которая в отдельных случаях может быть рассчитана по формуле [12]: S = 0,7 a b, (10) где a и b - длина и ширина листа. Количество прилипшей жидкости зависит и от размеров капель. Согласно опытным данным, высокая степень покрытия растений наблюдается тогда, когда диаметр капель жидкости составляет от 8·10-5 до 1,5·10-4 м. Если препарат поглощается растениями и перемещается по его тканям, то диаметр капель не должен превышать 1·10-4 м. При обработке контактными ядами, когда требуется полное покрытие растений, диаметр капель распыляемой жидкости не должен превышать 6·10-5 … 1,3·10-4 м [12]. По диспергированию рабочей жидкости штанговое опрыскивание подразделяется на: - мелкокапельное (размер капель до 1,5·10-4 м); - среднекапельное (размер капель от 1,5·10-4 до 3·10-4 м); - крупнокапельное (размер капель от 3·10-4 до 5·10-4 м). С учетом изложенных выше сведений наиболее целесообразно применять сопла щелевых распылителей с минимальным проходным сечением. Экспериментальные данные по дисперсности капель и густоте покрытия учетных карточек (в процентах и количестве капель на 1 см2 [13]) при высоте расположения щелевых распылителей Lechler над карточками 0,6 м и создаваемом давлении жидкости P = 0,4 МПа приведены в табл. 3. Таблица 3 Дисперсность капель и густота покрытия учетных карточек при высоте расположения щелевых распылителей Lechler над карточками 0,6 м и давлении жидкости P = 0,4 МПа [13] Тип сопла Средний диаметр капель от 0 до 1,5·10-4 м Средний диаметр капель от 1,5·10-4 до 3·10-4 м Средний диаметр капель от 3·10-4 до 5·10-4 м и более Количество капель от 0 до 3·10-4 м, % Среднее количество капель от 0 до 3·10-4 м, капель/см2 [13] Среднее количество капель от 1,5·10-4 до 1,5·10-4 м, капель/см2 [13] Расход жидкости, дм3/мин [13] LU-01 LD-01 6,14·10-5 1,596·10-4 4,437·10-4 63,2 191,2 120,8 0,44 LU-02 AD-02 5,77·10-5 1,633·10-4 3,921·10-4 68,8 143,2 98,5 0,9 LU-03 AD-03 5,51·10-5 1,642·10-4 4,453·10-4 70,2 108,5 76,2 1,32 Из приведенных в табл. 3 данных следует, что наиболее целесообразно на практике применять щелевое сопло Lechler LU-02 AD-02, у которого суммарное количество создаваемых капель при мелкокапельном опрыскивании (размер капель до 1,5·10-4 м) и практически начальном диапазоне среднекапельного опрыскивания (размер капель от 1,5·10-4 до 3·10-4 м) составляет 68,8%. Увеличение количества капель достигается путем повышения давления жидкости в гидравлической магистрали. Данные по дисперсности капель и густоте покрытия учетных карточек (в процентах и количестве капель на 1 см2 [13]) при высоте расположения щелевого распылителя Lechler LU-02 AD-02 над карточками 0,5 м в зависимости от давления жидкости P = 0,1…0,6 МПа приведены в табл. 4. Таблица 4 Дисперсность капель и густота покрытия учетных карточек при высоте расположения щелевого распылителя Lechler LU-02 AD-02 над карточками 0,5 м в зависимости от давления жидкости P = 0,1…0,6 МПа Давление жидкости P, МПа Средний диаметр капель от 0 до 1,5·10-4 м Средний диаметр капель от 1,5·10-4 до 3·10-4 м Средний диаметр капель от 3·10-4 до 5·10-4 м и более Количество капель от 0 до 3·10-4 м, % Среднее количество капель от 0 до 3·10-4 м, капель/см2 Среднее количество капель от 1,5·10-4 до 3·10-4 м, капель/см2 Расход жидкости, дм3/мин [13] 0,1 4,69·10-5 1,723·10-4 5,691·10-4 49,1 36,2 17,8 0,45 0,15 5,24·10-5 1,751·10-4 4,229·10-4 52 46,6 24,2 0,55 0,2 4,96·10-5 1,731·10-4 3,833·10-4 63,5 62,6 39,8 0,63 0,3 5,3·10-5 1,655·10-4 3,922·10-4 70,6 97,6 68,9 0,78 0,4 5,39·10-5 1,61·10-4 3,734·10-4 79,8 133,4 106,5 0,9 0,6 5,19·10-5 1,583·10-4 3,69·10-4 82,6 196,1 162 1,11 Из приведенных в табл. 4 данных следует, что существует возможность создания необходимого количества капель с размерами, обеспечивающими высокую степень покрытия и прилипания капель к растениям. Крупные капли при этом уменьшаются в размере до 3,7·10-4 м, что соответствует нижнему пределу крупнокапельного опрыскивания (размер капель от 3·10-4 до 5·10-4 м). При взаимодействии крупных капель (≈18%) с объектами обработки может происходить их разрушение во время удара при инерционном столкновении с препятствием, что можно проверить по соотношению энергий капли в полете: Wк /Wσ = , (11) где Wк и Wσ - кинетическая и поверхностная энергии капли; ρ - плотность жидкости, кг/м3; σ - поверхностное натяжение, H/м; d - диаметр капли, м; υ - скорость капли, м/с. Например, для капли воды диаметром 2·10-4 м при стационарной скорости оседания 0,8 м/с кинетическая энергия почти в 1,5 раза больше поверхностной. Для решения проблемы сноса и осаждения мелкодисперсного аэрозоля на растения предложено использовать в опрыскивателе пневмогидравлическое устройство со щелевыми распылителями жидкости [14; пат. на полезную модель № 138902]. На рисунке показан экспериментальный образец опрыскивателя с пневмогидравлическими устройствами в агрегате с трактором МТЗ-82 при проведении лабораторно-полевых исследований. Технологическая операция - опрыскивание сорняков почвенным гербицидом «Спрут Экстра», агрономический фон - измельченные пожнивные остатки после уборки пшеницы. Режимы работы экспериментального образца опрыскивателя при проведении лабораторно-полевых исследований по нанесению рабочих растворов на растения представлены в табл. 5. Таблица 5 Режимы работы экспериментального образца опрыскивателя при проведении испытаний Параметры Тип сопла LU - 02 AD - 02 LU - 03 AD - 03 LU - 04 AD - 04 LU - 05 AD - 05 Скорость движения агрегата, м/с 2,1 2,33 1,68 1,87 Расход рабочего раствора, дм3/га [13] 31,36 41 64,4 73 Расход препарата, дм3/га [13] 2,44 2,24 3,14 2,79 Концентрация смеси, % 7,77 5,46 5,11 3,82 Снижение расхода препарата по сравнению с нормой, раз 1,31 1,43 1,02 1,15 Из данных табл. 5 видно, что скорость движения агрегата для обеспечения различных значений расхода рабочего раствора изменялась от 1,68 до 2,33 м/с. При этом экспериментальный образец обеспечивал сниженный расход рабочего раствора по сравнению с традиционным. Расход рабочего раствора, согласно опытным данным, составил 73; 64,4; 41 и 31,36 дм3/га [13]. По сравнению с рекомендуемой нормой (3,2 дм3/га) расход препарата в опытах снизился в 1,15; 1,02; 1,43 и 1,31 раза. Агротехническая оценка уничтожения сорняков методом опрыскивания почвы при сниженном расходе жидкости и гербицида сплошного действия «Спрут Экстра» в ходе исследований экспериментального образца опрыскивателя свидетельствовала о полном уничтожении осота. Наблюдалась стопроцентная гибель амброзии полнолистной. Гибель вьюнка (в фазе цветения) при применении экспериментального образца опрыскивателя составляла 36,5-68,7%. Положительные результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что конструкция пневмогидравлического устройства может быть рекомендована для ресурсосберегающих технологий применения пестицидов в растениеводстве с целью защиты растений от вредителей, болезней и сорняков.

About the authors

I. M Kireyev

Rosinformagrotekh, Novokubansk branch

Z. M Koval

Rosinformagrotekh, Novokubansk branch

Email: zinakoval@mail.ru

References

Supplementary files