Modeling a pneumohydraulic sprayer for irrigation and fertigation

Full Text

Введение Многолетний опыт использования дождевого полива подтвердил его высокую эффективность. В процессе развития дождевого орошения совершенствовались и продолжают совершенствоваться обеспечивающие его средства и технологии, при этом подтверждается его очевидная перспективность. Подача минеральных компонентов в поливную воду осуществляется с требуемой частотой и дозировкой. Фертигация получила широкое распространение в связи с переходом на более эффективные способы поддержания почвенного режима питания и рационального использования удобрений. Качество фертигации зависит от эффективности смешения удобрения с оросительной водой для нужд растений. С целью усовершенствования устройств создания искусственного дождя для инновационных технологий были предложены «пневмогидравлические установки», основной отличительной особенностью которых является подведение в водопроводящий пояс дождевальной машины сжатого воздуха по воздухопроводу от компрессора. Воздуховод заканчивается соплом, из которого под определенным давлением выходит сжатый воздух. В результате образования вокруг сопла области пониженного давления выходящий сжатый воздух смешивается с окружающей средой, образуя водовоздушную смесь. Для создания необходимых условий образования водовоздушной струи сопло в устройстве перенесено внутрь объема воды, ограниченного стенкой водопроводящего пояса с выходным отверстием напротив сопла. При этом функцию дефлектора выполняет окружающая среда - воздух - по принципу струйных аппаратов [1, 2]. Для работы по описанному принципу ранее нами также было разработано техническое решение для получения водовоздушной смеси [3]. Повышение эффективности использования и надежности пневмогидравлических устройств создания дождя, качества искусственного дождя, возможности регулирования равномерности распределения капель в пространстве и снижение энергозатрат является актуальной задачей. Изучение условий пневмогидравлического орошения, обоснование конструктивных и геометрических параметров устройств получения искусственного дождя регулируемой дисперсности позволит повысить эффективность полива сельскохозяйственных культур, обеспечит совмещение подкормки и химзащиты растений при искусственном дождевании для различных технологий их выращивания. Цель исследований Моделирование конструкционных и геометрических параметров конструкции распылителей дождевателя для орошения и фертигации сельскохозяйственных культур. Анализ исследований и публикаций Согласно теоретическим представлениям, жидкости могут выдерживать большие растягивающие напряжения, достигающие 100…1000 МПа [4-6]. Но, как показывают эксперименты [7-9], в реальных жидкостях эти величины значительно меньше, что объясняется наличием в них гетерогенных очагов (границ, твердых включений, газовых пузырьков и др.), на которых инициируется рост пор, являющийся механизмом разрушения жидкостей. Разрушение метастабильного состояния жидкости происходит в результате роста пор, существующих в жидкости и порождаемых тепловыми флуктуационными процессами [10]. При этом из всех содержащихся в жидкости примесей существенное влияние на ее прочность могут оказать только пузырьки, находящиеся в объеме жидкости или в мелких трещинах нерастворимых частиц [9]. Газовый пузырек - слабое место в структуре жидкости, определяющее ее прочность [11, 12]. Согласно теории прочности жидкости Я.Б. Зельдовича, разрушение жидкости наступает вследствие развития газовых пузырьков. Увеличиваясь, пузырьки как бы расчленяют жидкость. При этом, чем больше размеры газовых пузырьков, тем сильнее они уменьшают прочность жидкости [4]. Другим механизмом разрывов сплошности жидкости является кавитация, которая возникает при резком снижении давления в потоке движущейся жидкости [13]. Пузырьки воздуха, распределяясь в воде, вызывают значительное увеличения поверхностной энергии, т.е. «разрывают» воду и приводят к снижению ее эффективной прочности. Кроме того, пузырьки воздуха сжимаются до давления воды в распылителе, и воздух частично растворяется. При истечении из распылителя давление водо-воздушной смеси почти мгновенно сравнивается с давлением окружающей среды, и пузырьки резко расширяются (взрываются). Растворенный в воде воздух начинает десорбироваться и водовоздушная смесь как бы вскипает. Весь этот комплекс явлений приводит к повышению эффективности дробления вытекающей из распылителя воды. Таким образом, предварительное газонасыщение распыливаемой воды приводит к увеличению КПД распыливания и существенному снижению расхода воздуха и энергии по сравнению с расходом при пневматическом распыливании [14]. Перспективным, с точки зрения расширения диапазона регулирования размеров капель воды, разбрызгиваемых дождевателями, является использование в их конструкции аэраторов с эффектом эжекции. Такие устройства при простоте конструкции позволяют получать водовоздушную смесь, легко распадающуюся на капли при выходе из сопла дождевателя в воздух, без дополнительных затрат механической энергии [15]. Материалы и методы Анализ конструкций дождевальных машин, технологического оборудования и насадок для получения искусственного дождя. Математическое моделирование рабочего процесса для обоснования геометрических и технологических параметров пневмогидравлического устройства создания искусственного дождя с целью повышения эффективности использования и надежности устройства, качества искусственного дождя, создания возможности регулирования равномерности распределения капель дождя в пространстве и снижения энергозатрат. Результаты и обсуждение Основываясь на вышеприведенных теоретических предпосылках, предлагается обоснование конструктивно-технологической схемы (рис. 1) и параметров распыливающего жидкую фазу устройства дождевателя, отличительной особенностью которого является эжекция воздушной фазы [16]. Для наиболее эффективного распыливания воды дождевателем его конструкция должна обеспечивать насыщение воды воздухом и значительный перепад давления на выходе водо-воздушной смеси из сопла форсунки. Насыщение воды воздухом может осуществляться как принудительным его вводом под давлением в камеру смешивания, так и за счет его эжекции. В последнем случае струя воды создает разряжение в камере смешения, и воздух всасывается из атмосферы. Площадь поперечного сечения f1 сопла водяного штуцера 1 найдем из уравнения для расхода воды G1 через сопло [17]: , (1) где µ - коэффициент расхода, значение которого всегда меньше 1; p1 - давление воды, Па. Если отверстие сопла водяного штуцера круглого сечения диаметром d1, то: . (2) Из выражения (2) с учетом (1) получим: . (3) Массовый расход воздуха, поступающего из атмосферы через воздушную камеру 3 в камеру смешения 4 аэратора, определяется по формуле [18]: , (4) где µ - коэффициент расхода, значение которого всегда меньше 1; f2 - площадь поперечного сечения воздушного штуцера 2; k - показатель адиабаты (обычно принимается k = 1,4); R - газовая постоянная в (Н·м)/(кг·град); Т - абсолютная температура воздуха в К; Y - отношение давлений р/р2; р - давление в воздушной камере дождевателя, Па. Коэффициент µ определяется обычно из эксперимента или по справочным данным и учитывает факторы, которые не были учтены при выводе формулы (4). Показатель адиабаты k принимается равным 1,4. Для этого значения k имеются таблицы функции: , (5) которая называется функцией расхода. Функция расхода φ при критическом отношении давлений Y* по формуле (5) при k = 1,4 имеет значение = 0,2588 [18]. Критический расход G* находим по формуле (4) при k = 1,4 и φ(Y*) = 0,2588: . (6) Зависимость (4) для определения расхода воздуха справедлива только в интервале значений Y от 1 до того значения Y*, при котором расход G2 становится максимальным. Это значение Y = Y* называется критическим. Если принять k = 1,4, то Y* = 0,528. Для того чтобы можно было регулировать степень насыщения воды воздухом в аэраторе, массовый расход воздуха, поступающего из атмосферы в камеру смешения 4 аэратора, должен зависеть от отношения давлений Y. В соответствии с работой Н.И. Левицкого [18], такой режим работы возможен в интервале изменения Y от 0,528 до 1. Максимальный расход воздуха G2 = G*. Из уравнения (6), с учетом G2 = G*, выразим величину сечения кольцевого зазора 5 на входе в камеру смешения 4 дождевателя: (7) Из уравнения (7) найдем средний диаметр кольцевого зазора: . (8) где s - ширина кольцевого зазора. Чтобы вода из камеры смешения 4 дождевателя не попадала в воздушную камеру 3 дождевателя, необходимо, чтобы расход воздуха, засасываемого через кольцевой зазор 5 в камеру смешения 4 аэратора, компенсировался расходом воздуха, поступающим из атмосферы в воздушную камеру 3 дождевателя. Это обеспечивается равенством сечений кольцевого зазора 5 на входе в камеру смешения дождевателя и отверстия воздушного штуцера 2 на входе в воздушную камеру дождевателя. Тогда диаметр отверстия воздушного штуцера 2 определится по формуле: (9) По результатам расчетов с использованием выражений (7)-(9) построены графики зависимостей среднего диаметра fc кольцевого зазора и диаметра d2 отверстия воздушного штуцера от расхода воды G1 с учетом расходов эжектируемого воздуха при нормальных атмосферных условиях для значений коэффициента эжекции 0,5; 0,7 и 0,9. Согласно современным теоретическим представлениям о работе водовоздушных эжекторов [14], справедлива следующая зависимость, выражающее объемное соотношение подаваемой воды и эжектируемого воздуха: , (10) где К - постоянная, зависящая от конструкции и режима работы эжектора; (р1 - р2) - перепад давлений на срезе сопла 1; (р3 - р2) - перепад давлений, создаваемый эжектором. Площадь сечения fсм камеры смешения 4 определим из соотношения: , (11) отсюда, в случае цилиндрической формы камеры смешения 4, ее диаметр: (12) Диаметр выходного сопла определим по выражению: (13) Длина l камеры смешения 4 должна быть достаточной для завершения смешения. По результатам исследований [19], оптимальная длина камеры смешения находится из соотношения: . Отсюда при круглой форме отверстий водяного штуцера и выходного сопла 6 аэратора: . (14) Алгоритм расчета параметров распыливающего устройства дождевателя выполнен и работает в табличном процессоре (Excel или WPS) с использованием выражений (3), (7)-(9), (13)-(15). Исходными данными являются давление воды р1 и воздуха р2 на входе дождевателя, необходимый расход воды G1 и коэффициент эжекции u. В расчетах учитываются коэффициенты расхода µ воды и воздуха, газовая постоянная R и температура воздуха Т. Результаты расчетов выдаются в виде таблиц Excel (рис. 2). По результатам расчетов построены графики зависимостей среднего диаметра dc кольцевого зазора, диаметра выходного сопла d3 распылителя, диаметра dсм и длины l камеры смешения от расхода воды G1 для значений давления воды р1 (р1 = 0,25; 0,30; 0,35 МПа), используемых в современной оросительной технике с учетом расходов эжектируемого воздуха при нормальных атмосферных условиях для значений коэффициента эжекции: 0,5; 0,7 и 0,9 (рис. 3-7). Из представленных на рис. 3-7 графиков видно, что для эффективного распыливания воды при поливе необходимо оснащать дождеватели распыливающими устройствами с диаметрами выходного сопла d3 = (2,5…5,5) мм и камеры смешения dсм = (5…15) мм. При этом конструкция распыливающих устройств дождевателя должна обеспечивать возможность регулировки среднего диаметра fc кольцевого зазора в пределах от 5 до 12 мм и длины l камеры смешения - от 11 до 17 мм. Для лучшего смешения воды с воздухом в камере смешения дождевателя предлагается использовать принцип закручивания потока воды без разрыва его сплошности. При этом учитываются результаты гидродинамических исследований по определению геометрических характеристик и угла установки лопаток завихрителя на величину циркуляционных зон, получаемых из соотношений осевой и тангенциальной составляющих скоростей потока. Эти составляющие, в свою очередь, зависят от степени крутки потока, создаваемой завихрителем, которая определяется углом установки его лопаток [20] и, исходя из анализа опытных данных шнековых завихрителей, - наличием поперечной и спиральной накатками, а также проволочным спиральным и ленточным завихрителями [21]. Для этого выходное сопло дождевателя предлагается снабдить на внутренней поверхности выступом в форме двухзаходной винтовой спирали с углом подъема 30°, противоположном направлению закручивания потока воды в камере смешения с воздухом. Анализ разработанных конструкций спирального завихрителя потока и результаты теоретических исследований позволяют сделать вывод, что их использование незначительно увеличивает гидравлическое сопротивление [22]. Использование воздушной фазы и конструктивно-технологических особенностей устройства для распыления жидкости обеспечивает возможность получения мелкодисперсного дождевания для полива сельскохозяйственных культур, оперативного планирования внесения доз минеральных удобрений, борьбы с болезнями и вредителями растений. При этом оптимальная влажность почвы может быть значительно ниже, чем без применения мелкодисперсного дождевания [23]. Заключение Создание современных малоэнергоемких технологий и новых технических средств необходимо для орошения в зонах недостаточного естественного увлажнения, восстановления и эксплуатации мелиоративных систем. Одно из направлений совершенствования полива сельскохозяйствнных культур дождеванием - это подача воды - при взаимодействии ее с воздухом на поверхность орошаемого участка, в приземный слой воздуха и растения в виде капель искусственного дождя, создаваемого специальными устройствами-дождевателями. В статье приведено теоретико-технологическое обоснование конструктивных решений пнемогидравлического распылителя. Разрушение сплошности жидкости рассмотрено с учетом параметра ее прочности при взаимодействии гетерогенных фаз воды и воздуха. При этом подача воздуха для распыления жидкости может осуществляться как принудительно, так и эжекцией. Предложена математическая модель работы пневмогидравлического распылителя дождевателя, получены графические зависимости оптимизации технологических параметров и конструктивных решений для разработки макетного образца пневмогидравлического дождевателя и его экспериментальной апробации с целью получения капель искусственного дождя различной крупности при орошении и фертигации сельскохозяйственных культур, что будет способствовать успешному решению обсуждаемых проблем АПК. Рис. 1. Конструктивно-технологическая схема распыливающего устройства пневмогидравлического дождевателя Рис. 2. Фрагмент таблицы Excel с результатами расчета параметров распылителя Рис. 3. Зависимость среднего диаметра dc кольцевого зазора от расхода воды G1 при коэффициентах эжекции: 1 - u = 0,5; 2 - u = 0,7; 3 - u = 0,9 Рис. 4. Зависимость диаметра d2 воздушного штуцера от расхода воды G1 при коэффициентах эжекции: 1 - u = 0,5; 2 - u = 0,7; 3 - u = 0,9 Рис. 5. Зависимость диаметра dсм камеры смешения от расхода воды G1 при давлениях воды, МПа: 1 - р1 = 0,25; 2 - р1 = 0,30; 3 - р1 = 0,35 Рис. 6. Зависимость длины камеры смешения l от расхода воды G1 при давлениях воды, МПа: 1 - р1 = 0,25; 2 - р1 = 0,30 Рис. 7. Зависимость диаметра выходного сопла d3 от расхода воды G1 при давлениях воды, МПа: 1 - р1 = 0,25; 2 - р1 = 0,30; 3 - р1 = 0,35

About the authors

V. P Gorobej

Federal State Budgetary Institution of Science «All-Russian National Scientific Research Institute of Vinegraphy and Wine-making “Magarach”»

Email: magarach@rambler.ru
DSc in Engineering Yalta, Russia

V. Y.U Moskalevich

Academy of Bioresources and Nature Management of V.I. Vernadsky Crimean Federal University

Email: kaf-meh@rambler.ru
PhD in Engineering Agrarnoe, Russia

References

Supplementary files