Моделирование процесса образования монодисперсного аэрозоля при предпосевной обработке семян

Моделирование процесса образования монодисперсного аэрозоля при предпосевной обработке семян

ЭР.Хасанов, к.т.н.,

СГ.Мударисов, д.т.н, профессор,

Башкирский ГАУ

Основным методом предпосевной подготовки семян является протравливание химическими препаратами от вредителей и болезней [1]. Он широко используется при интенсивной технологии земледелия и позволяет снижать потенциальные потери урожая на 50 — 55%. Применяемые технические средства, обеспечивающие равномерное и полное покрытие поверхности посевного материала, имеют распределители, создающие капли различного диаметра. В лучшем случае удаётся регулировать средний размер частиц, а крупные весовые доли различных по размерам частиц снижают эффективность обработки и отрицательно сказываются на равномерности покрытия. В связи с этим одна из главных задач применяемых технических средств заключается в получении капель одинакового (монодисперсного) размера. Причём размер их должен быть в пределах 20 — 50 мкм [2, 3]. Подобрать правильные параметры технического устройства для достижения данных размеров аэрозоля экспериментальным путём достаточно трудоёмко, поэтому необходимо разработать математические модели обработки посевного материала различными типами распылителей, которые подскажут, в каком направлении необходимо вести научные разработки. Для модели технологического процесса обработки в качестве начальных условий могут быть использованы конструктивно -технологические параметры и режимы работы распылительной системы, а в качестве граничных условий — параметры распределительной системы капель аэрозоля, посевного материала и препарата (скорость воздушного потока, создаваемого вентилятором, количество подаваемой рабочей жидкости, конструктивные параметры камеры обработки).

Цели и задачи исследования — разработать технологические схемы обработки и техническое устройство по предпосевной обработке семян. Задачи исследования — построить модель образования монодисперсного аэрозоля и определить основные параметры системы предпосевной подготовки посевного материала.

Условия, материалы и методы исследования. К техническим устройствам для предпосевной подготовки предъявляют следующие основные требования: соблюдение нормы полного покрытия, равномерное распределение препарата по посевному материалу, возможность создания капель рабочего раствора одинакового регулируемого размера в пределах 20 — 50 мкм.

Выполнение первого требования современными техническими устройствами для предпосевной подготовки обеспечивается в основном количеством препарата, регулируемого установкой на норму расхода для посевного материала различных сельскохозяйственных культур.

Выполнение второго требования более затруднительно в связи с большим разбросом размеров и форм семян. Семена с разной массой имеют различную площадь поверхности. Чем масса меньше, тем больше площадь поверхности и количество семян при одинаковом весе. Заметное влияние на равномерное распределение препарата по посевному материалу оказывают особенности конструкций технических устройств в части камер обработки и типов устройства по подаче препарата и посевного материала в камеру обработки: машина поточного типа или машина порционного типа.

Выполнение третьего требования — по возможности создания капель одинакового размера — зависит от конструктивных особенностей распылителей.

Таким образом, технические устройства для предпосевной обработки должны удовлетворять выдвигаемым условиям и требованиям к распылителям. Для этого необходимо заложить в их конструкции условия образования монодисперсных аэрозолей для равномерного и качественного покрытия посевного материала.

Анализ технических средств для предпосевной обработки показывает, что по способу нанесения препаратов на посевной материал они разделяются на две группы: с перемешивающими устройствами и непосредственного нанесения на семена и клубни. Экспериментальным путём установлено, что в барабанных устройствах посевной материал минимально травмируется по сравнению с камерными и шнековыми техническими устройствами [4, 5]. Основной проблемой применения барабанных технических устройств является невозможность создания монодисперсного аэрозоля с размером капель до 50 мкм. Для устранения данного недостатка создано распыливающее устройство, позволяющее получать капли заданного размера в два этапа: диспергирование рабочей жидкости на «первичные» капли; дополнительное дробление «первичных» капель на «вторичные» за счёт удара о рассекатель.

Из условия равновесия приложенных к частице сил определён диаметр «первичной» капли, образованной кромкой диска вертикальной оси вращения [5]:

С =

6 ха

Рж х(яхо2 - g)'

где g - ускорение свободного падения, м/с2,

ю — угловая скорость вращения дисков, рад/с, а - поверхностное натяжение жидкости, Н/м, Я - радиус диска, м, рж — плотность жидкости, кг/м3.

Для проверки значимости влияния факторов на диаметр «первичной» капли по каждому из них задавался диапазон значений с получением графиков: (7=15 - 540х10- 3 Н/м, Я=10 - 360x10 - 3 м, рж=70 - 157x10 кг/м3, ю2=150 - 500 рад/с. Предельное значение показателей ограничено вследствие невозможности выполнения по физико-механическим характеристикам. Полученный диаметр «первичной» капли при оптимальных условиях составляет 270 мкм.

При рассмотрении механизма образования «вторичных» капель определено, что процесс зависит от трёх факторов: капиллярная неустойчивость Релея и сила аэродинамического потока ведут к разрыву плёнки на «вторичные» капли, с другой стороны - силы поверхностного натяжения способствуют замедлению процесса. При рассмотрении совместного действия данных сил получена зависимость:

" 2 _  6па кс

При подстановке данных в формулу 2 (поверхностное натяжение (=0,073 Н/м, плотность жидкости рж=998,23 кг/м3, средний размер «первичной» капли 2,7x10 - 4 м, скорость удара «первичной» капли 20 м/с) размер «вторичной» капли составит 47 мкм, что соответствует требованиям мелкодисперсного аэрозоля. Зависимость диаметра «вторичной» капли от «первичной» при ударе о рассекатель представлена на рисунке 1.

где к - коэффициент распада капли, 1,14х 106, с - скорость распространения ударной волны,

3 - 8ху4,

< - диаметр «первичной» капли, <12 - диаметр «вторичной» капли, V; - скорость удара.

Для описания процесса пневмотраспортиро-вания аэрозольного потока с частицами имеется большое количество математических моделей. Выбор подходящей модели осуществляется исходя из конкретной задачи и имеющейся информации процесса. Нами для математического описания течения газов с твёрдыми частицами использовалась система уравнений Навье-Стокса с добавлением в эту систему уравнения неразрывности, сохранения массы для воздушно-зерновой смеси и сохранения импульса [6].

Результаты исследования. Теоретическое моделирование процесса образования «первичной» капли по формуле 1 показывает, что под влиянием увеличения показателей факторов диаметр «первичных» капель уменьшается с 770 до 150 мкм. По результатам полученных данных определено, что даже при соответствующих максимальных значениях всех входных величин, приводящих к образованию дисковым распылителем минимального диаметра «первичной» капли, последний не будет отвечать требованиям монодисперсного аэрозоля (до 50 мкм).

Рис. 1 - Зависимость диаметра «вторичной» капли

от диаметра «первичной» капли при ударе

0 рассекатель:

1 - «первичные» капли;

2 - экспериментальные данные;

3 - теоретические данные

Численная реализация модели образования монодисперсного аэрозоля проведена в программном комплексе FlowVision, где можно получить интегральные и дифференциальные характеристики течения аэрозоля (поле скоростей, давлений, температур, линий тока, траекторий). Для проведения расчётов создана трёхмерная твердотельная модель пневмораспылителя в программном продукте КОМПАС-3D, которая далее для расчётов импортирована в программный комплекс FlowVision. Для подтверждения полученных ранее расчётных и опытных данных моделированию подвергалась пневмораспылительная система с несколькими вариантами рассекателей. Анализ данных моделирования показал работоспособность спроектированной конструкции распылительного устройства. Проведение ряда экспериментов и моделирование движения аэрозоля в программном комплексе FlowVision обусловило возможность более точно оценить характер образования «вторичных» капель. Таким образом, моделирование образования аэрозоля с помощью программного комплекса FlowVision позволило более полно оценить характер влияния граничных условий и заданных начальных характеристик режима образования аэрозоля, определило пути совершенствования барабанных технических средств для предпосевной обработки.

Производственные испытания проводились на разработанном барабанном инкрустаторе (рис. 2), показавшем высокое качество работы.

Рис. 2 - Барабанный инкрустатор БИС-4:

1 - бункер для порошкового биопрепарата;

2 - камера обработки; 3 - бункер для семян; 4 - вентилятор; 5 - резервуар с клеящейся жидкостью; 6 - рама; 7 - электродвигатель

Вывод. Получена математическая модель образования монодисперсного аэрозоля. Произведено моделирование образования аэрозоля пневмора-спылительной системой с помощью программных комплексов SolidWOrks. Предложенное техническое устройство БИС-4 в виде инкрустатора барабанного типа апробировано в СПК «Дружба» Благовещенского р-на Республики Башкортостан. Полученный экономический эффект на яровой пшенице составил 623,3 тыс. руб. со 120 га.

Литература

1. Смелик В.А., Кубеев Е.И., Дринча В.М. Предпосевная подготовка семян нанесением исскуственных оболочек. СПб.: СПбГАУ, 2011. 272 с.

2. Дунский, В.Ф., Никитин Н.В., Соколов М.С. Монодисперсные аэрозоли. М.: Наука, 1975. 188 с.

3. Дитякин, Ю.Ф., Клячко Б.В., Новиков Л.А. и др. Распы-ливание жидкостей. М.: Машиностроение, 1977. 208 с.

4. Хасанов Э.Р., Байгускаров М.Х., Биктимиров М.Р. Пути повышения качества обработки семян с минимальным травмированием // Достижения науки—агропромышленному производству: матер. XLVIII междунар. науч.-практич. конф. Челябинск: ЧГАУ, 2009. Ч. 4. С. 260 - 263.

5. Хасанов Э.Р. Предпосевная обработка семенного материала защитно-стимулирующими препаратами: монография. Уфа: Лань, Башкирский ГАУ, 2013. 171 с.

6. Мударисов С.Г., Бадретдинов И.Д. Оптимизация параметров пневматической системы зерноочистительной машины // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2011. № 1. С. 6 - 9.