Основи теорії та розрахунку машин для захисту рослин
Розділ 4
ОСНОВИ ТЕОРІЇ ТА РОЗРАХУНКУ МАШИН ДЛЯ ЗАХИСТУ РОСЛИН
4.1. Основи теорії розпилення рідин і порошків
Технологічний процес машин для хімічного захисту рослин складається з розпилення робочої рідини або порошку, доставки розпилених часточок до об’єкта обробки і осідання їх на оброблю- ваний об’єкт.
На ступінь розпилення робочої рідини обприскувачами і ефек- тивність осідання крапель на оброблювані об’єкти впливають робо- чий тиск у системі, технологічні властивості пестициду, конструк- тивні особливості розпилювальних пристроїв і спосіб доставки крап- линок (вільний або за допомогою турбулентних струменів) до об’єктів обробки.
Основні закономірності процесу при механічному розпиленні, утворенні електрично заряджених аерозолів, розпиленні порошків, конденсаційному і термомеханічному способах утворення аерозолів ґрунтуються на законах гідро- і аеромеханіки та термодинаміки.
У теорії розпаду струменів ідеальної (нев’язкої) рідини, що має поверхневий натяг, основою є уявлення про розпад рідкого струме- ня внаслідок його нестійкості під дією малих випадкових збурень з певною довжиною хвилі. Ця теорія узгоджується з експерименталь- ними даними, але придатна лише для ламінарних струменів, тобто для тонких струменів, які повільно рухаються.
Розвиток теорії поки що не привів до переконливого кількісного аналізу процесів розпилення рідини при невпорядкованому, турбу- лентному руху рідини та середовища і до створення прийнятних методів розрахунку розпилювачів. Тому, щоб задовольнити потребу практики, дослідники створювали емпіричні або напівемпіричні методи розрахунку щодо конкретних типів розпилювачів і певного діапазону зміни параметрів розпилювача, розпилюваної рідини і навколишнього середовища.
Згідно з домінуючими чинниками, в результаті яких відбуваєть- ся розпилення, розрізняють механічне, електричне і газове розпи- лення. До механічних розпилювачів належать такі форсунки: стру- меневі (з циліндричним чи щілинним соплом, ударного типу, зі
171
Розділ 4
струменями, що вдаряються); відцентрові; акустичні з підведенням енергії через рідину; обертові.
Газовими розпилювачами є повітроструменеві і акустичні з під- веденням енергії через газ.
4.1.1. Механічне розпилення рідин
У машинах для хімічного захисту рослин найбільше застосовують відцентрові, струменеві зі щілинним соплом, повітроструменеві, обер- тові й комбіновані (гідравлічно-повітроструменеві) розпилювачі.
Теорію відцентрових розпилювачів для ідеаль-
них рідин найповніше роз- робив Г.Н. Абрамович.
У результаті аналізу по- току рідини в розпилювачі (рис. 4.1) з використанням «принципу максимальної витрати» (згідно з яким у соплі відцентрового розпи- лювача утворюється повіт- ряний вихор такого радіуса, за якого коефіцієнт витрати при такому напорі набуває максимального значення) отримано систему з трьох рівнянь. Ця система дає
змогу визначити коефіцієнт витрати відцентрового розпилювача µ, кут при вершині його факела α і коефіцієнт заповнення сопла ϕ. При цьому під факелом розпиленої рідини розуміють двофазний струмінь (рідина + газ), який утворюється внаслідок розпаду рідин- ної плівки струменя і взаємодії потоку краплин з навколишнім га- зовим середовищем.
Основні характеристики відцентрових розпилювачів визначають за такими залежностями:
|
|
µ = |
ϕ3 / (2 − ϕ); |
|
(4.1) |
|
|
|
(1 − ϕ) 2 = A; |
|
(4.2) |
||
|
|
|
|
ϕ ϕ |
|
|
tg |
α |
= |
|
2µA |
, |
(4.3) |
2 |
|
(1 + S)2 − 4µ2 A2 |
||||
|
|
|
|
|
||
172
Основи теорії та розрахунку машин для захисту рослин
де A = LR / nr2 |
— геометрична характеристика розпилювача; |
c вх |
|
S = rm / Rc — безрозмірний радіус вихору на зрізі сопла; п — кіль- кість вхідних каналів (тут п = 1); rm — внутрішній радіус вихору.
Якщо перерізи вхідних каналів не круглі, то вираз для геомет- ричної характеристики набирає вигляду
A = |
LRc sinβ |
, |
(4.4) |
nf |
|||
|
вx |
|
|
де fвх — площа поперечного перерізу вхідного каналу; β — кут між
напрямком вхідного каналу і віссю сопла.
Витрату рідини (продуктивність відцентрового розпилювача) ви- значають за такою залежністю, л/хв:
q = µ0,06fc 2gр, |
(4.5) |
де µ — коефіцієнт витрати; fс — площа перерізу вихідного сопла
розпилювача, мм2; g — прискорення вільного падіння, м/с2; р — тиск рідини, м вод. ст.
Струменеві щілинні розпилювачі (типу Teejet) широко вико-
ристовують у сільськогосподарських обприскувачах. Розрахунок їх- ніх основних параметрів ґрунтується на експериментальних дослі- дженнях, що розкривають механізм розпилювання — утворення нестійкої плоскої плівки, яка розпадається на краплини різних роз- мірів.
Пневматичні (повітроструменеві, газові) розпилювачі (рис. 4.2) використовують на вентиляторних обприскувачах. Повітря на- гнітається високонапірним вентилятором через насадок Вентурі.
Рідина насосом подається через жик- |
|
||
лери 1 у вузький переріз 2 насадка, в |
|
||
якому повітряним потоком подрібню- |
|
||
ється на дрібні краплини. Із дифузо- |
|
||
ра 3 насадка виходить назовні тур- |
|
||
булентний повітрокрапельний стру- |
|
||
мінь, який спрямовується з похилом |
|
||
вгору в напрямку |
вітру |
(обробка |
|
польових культур з |
використанням |
Рис. 4.2. Схема повітроструме- |
|
енергії попутного потоку вітру). На |
невого розпилювача: |
||
відміну від гідравлічних у повітро- |
1 — жиклери; 2 — вузький переріз; |
||
струменевих розпилювачах |
значна |
3 — дифузор |
|
швидкість рідини відносно |
повітря |
|
|
забезпечується швидкісним потоком повітря, а рідина вводиться в
повітряний потік під невеликим надлишковим тиском, тобто з неве- ликою швидкістю.
173
Розділ 4
Для пневматичних розпилювачів, як і для відцентрових, поки що не розроблено теоретичних методів розрахунку, тому використовують емпіричні залежності.
Для невеликих пневматичних розпилювачів користуються фор- мулою японських учених Нукіями і Танасави:
|
|
|
|
|
|
0,5 |
|
|
|
0,45 |
|
1,5 |
|
|
|
d = |
585 |
|
σ |
+ 597 |
η |
|
1000 |
Qp |
|
, |
(4.6) |
||||
|
|
|
|||||||||||||
v |
−v |
|
ρ |
|
|
|
|
||||||||
s |
|
|
σρ |
|
|
Q |
|
|
|||||||
|
п |
р |
|
|
|
|
|
|
|
|
п |
|
|
||
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
Σ n d3 |
||
де |
d |
= |
і=1 |
i і |
— об’ємно-поверхневий діаметр краплин (середній |
k |
|
||||
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
Σ n d2 |
||
|
|
|
і=1 |
i і |
|
діаметр за Заутером), мкм; ni — кількість краплин даного розміру
di ; k — кількість розрядів, на які розбито спектр краплин; vп і vр —
швидкості відповідно повітря і рідини, м/с; σ — поверхневий натяг рідини, г/с2; ρ — щільність рідини, кг/м3; µ — в’язкість рідини, г/см·с; Qp /Qп — відношення об’ємних витрат рідини і повітря.
Обертові розпилювачі застосовують у протруювачах і обприс- кувачах для ультрамалооб’ємного обприскування. На відміну від гідравлічних і повітроструменевих розпилювачів вони можуть за дуже малих витрат рідини утворювати краплини приблизно одна- кового регульованого розміру (монодисперсне розпилення).
Діаметр основних краплин, приблизно однакових за розміром, визначають за формулою
c |
σ |
, |
(4.7) |
||
d = |
|
|
|
||
|
rρ |
||||
|
ω |
|
|
||
де с ≈ 2,9 — константа; ω — кутова швидкість обертання диска, с–1; σ — поверхневий натяг рідини, г/с2; r — радіус диска, см; ρ — щіль- ність рідини, кг/м3.
Двоступінчасте розпилення рідини («вторинне» подрібнення краплин у повітряному потоці) найчастіше спостерігається при авіаційному обприскуванні (рис. 4.3). При цьому перша стадія — розпилення при витіканні рідини під тиском із сопла 1 гідравлічно- го розпилювача або при скиданні її з периферії обертового розпилю- вача — зумовлює утворення «первинних» краплин. Друга стадія передбачає пневматичне подрібнення найбільших «первинних» краплин при їх швидкому русі (разом із літаком) відносно навко- лишнього повітря.
У першому наближенні розмір стійкого стану краплини визнача- ється критичним значенням критерію Вебера, який має певну конс-
174