Основи теорії та розрахунку машин для захисту рослин

Відомі також процеси уніполярної електрозарядки краплин пес- тицидів, при яких електрозарядний пристрій використовують не тільки для зарядки краплин, а й для створення осаджувального електростатичного поля між цим пристроєм і землею.

4.1.3. Розпилення порошків

Пилові струмені та хвилі, які застосовують у сільському госпо- дарстві для обробки рослин пестицидними дустами або при внесен- ні гранульованих добрив, утворюються розпиленням порошків по- током повітря.

Часточки пилу і тонких порошків схильні до агрегування в ре- зультаті адгезії дрібних часточок, яка частково пояснюється дією сил притягання, що існує між молекулами, і визначається форму- лою Ван-дер-Ваальса. Роль молекулярних сил збільшується зі змен- шенням розміру часточок d, а сили, які намагаються розділити час-

точки, пропорційні d3 (за наявності коливань) або d2 (за наявності аеродинамічних сил), тобто відношення сили притягання до роз-

діляючої сили пропорційне d−2 або d−1 і збільшується зі зменшен-

ням d. Отже, агрегати з дрібних часточок важче піддаються подріб- ненню, ніж агрегати з крупних часточок.

Якщо часточки покриваються плівкою рідини, то між ними ви- никають додаткові сили, зумовлені капілярними ефектами. Адгезія в порошках часто спричинюється переважно сконденсованою на по- верхні часточок вологою. Це підтверджується тим фактом, що в де- яких порошках адгезію можна значно зменшити, покриваючи час- точки тонким гідрофобним шаром (наприклад, тонесенька плівка силіконового полімеру ефективно зменшує агрегування часточок у багатьох порошках).

Часточки розпиленого в повітрі порошку заряджені. У деяких випадках заряди також сприяють утворенню агрегатів: електроста- тичні сили, що діють між стичними часточками, можуть бути знач- но більшими, ніж вандерваальсові.

Труднощі дослідження процесу розпилення порошків повітря- ним потоком зумовлені відсутністю надійних даних про значення молекулярних сил, які перешкоджають відриванню часточок від стінок і одну від одної, і складністю визначення сил, що діють з боку повітряного потоку на часточки порошку, що обтікаються цим пото- ком. Не менш важливою є невизначеність в оцінюванні дуже малих відстаней між часточками, які складають агрегат. Отже, зважаючи на ці труднощі, дослідження мають переважно якісний характер.

Оскільки часточки переносяться перекочуванням, цю умову мо- жна подати у такому вигляді:

179

Розділ 4

u	>		2rρg 1 / 2	,	(4.15)
r
			ραψ

де ur — критична швидкість часточки порошку відносно повітряного

потоку; 2r — розмір часточки кубічної форми; ρ — густина речовини часточки; ρα — густина повітря; ψ — коефіцієнт лобового опору.

Для розпилення порошків, тобто для переведення їх із агрегова- ного стану в аерозольний швидкісним повітряним потоком, викори- стовують певний дозувальний пристрій (наприклад, шнековий до- затор), який безперервно подає порошок у повітряний потік. При цьому повітряний потік подрібнює порошок на агрегати і окремі ча- сточки. За достатньої швидкості повітря агрегати встигають руйну- ватися раніше, ніж швидкість їх руху наблизиться до швидкості по- вітря (процес, подібний до подрібнення краплин у повітряному по- тоці). Цей процес «об’ємного» розпилення відбувається в пилових форсунках при розпилюванні пестицидних пилоподібних препара- тів (дустів), гранульованих добрив і пестицидів.

Для агрегату суміші часточок, який рухається в градієнтному по- тоці, різниця швидкостей течії в двох точках, що лежить на відрізку 2r, дорівнює 2rГ (Г — градієнт швидкості течії), а сила, яка намага- ється розірвати дві зліплені часточки, становить

′	′ 2	Г.	(4.16)
Fм ≈ 6πµ r2rГ ≈12πµ r

Сила адгезії в першому наближенні пропорційна r, тому чим дрібніші часточки, тим гірше (за інших однакових умов) розпилю- ється порошок. Особливо важко розпилюються полідисперсні порош- ки, щільність упаковки яких значно більша, ніж монодисперсних.

Другий можливий шлях дезагрегації порошків — застосування коливань. Найефективнішого розпилення можна досягти при одно- часній дії коливань і розпилювального повітряного потоку.

4.1.4. Конденсаційне утворення аерозолів

Для утворення аерозолів застосовують два способи: дисперсійний, за якого дрібні краплинки утворюються подрібненням речовини, і конденсаційний — найдрібніші часточки утворюються конденсацією парів.

Конденсаційний спосіб утворення аерозолю передбачає наяв- ність перенасиченої пари. Якщо перенасичення S перевищує певну критичну для даних умов величину Sк, то відбувається швидке

утворення аерозолю.

Центрами конденсації перенасиченої пари можуть бути завислі в газі часточки, газові йони (конденсація на ядрах) або зародки

180

Основи теорії та розрахунку машин для захисту рослин

(групи молекул), які безперервно виникають у газі в результаті флуктуацій при хаотичному тепловому русі молекул (спонтанна конденсація).

Біля поверхні краплини тиск насиченої пари Pr менший, ніж

біля плоскої поверхні. Внаслідок цього конденсація може початися лише при перенасиченні, яке перевищує зрівноважене значення S, що залежить від радіуса краплини r і визначається рівнянням Том- сона — Гіббса:

ln S = ln(Pr / P∞) = 2σM / R1Tρr,

(4.17)

де Р∞ — тиск насиченої пари над плоскою поверхнею; σ — поверхне- вий натяг краплини; М — маса одного моля рідини; R1 — універсаль-

на газова стала; Т — абсолютна температура; ρ — густина рідини.

Зі зменшенням r точність рівняння (4.17) знижується, оскільки властивості малих краплин відрізняються від властивостей речовин у великому об’ємі. Наприклад, поверхневий натяг σ залежить від радіуса краплини. Для краплини, яка має електричний заряд, у правій частині рівняння (4.17) з’являється член, що враховує вплив величини цього заряду на S.

У газовій суміші, що містить пару, внаслідок флуктуацій постій- но утворюються комплекси, які складаються з кількох молекул, що миттєво розпадаються; чим більше комплексів, тим рідше вони утворюються. В перенасиченій парі деякі комплекси досягають кри- тичного розміру, при якому тиск насиченої пари над ними дорівнює тиску пари в навколишньому середовищі; такі комплекси не розпа- даються і можуть бути зародками (центрами конденсації).

Згідно з класичним рівнянням Фольмера

I = dN	к	/ dτ = K e−∆G / KT ,	(4.18)
		1

де I — швидкість утворення зародків; Nк — числова концентрація краплин; τ — час; K1 — множник; ∆G — робота, витрачена на

утворення зародку; K — стала Больцмана; T — температура. Одним із варіантів конденсаційного процесу є термомеханічний

спосіб утворення аерозолів. Цей процес досить складний і ще недо- статньо досліджений. Експериментально встановлено, що відносна вагова кількість ε1 найдрібніших «вторинних» краплинок конденса-

ційного походження приблизно дорівнює відносній кількості випа- руваного розчину, яка визначалась експериментально за допомогою каскадного імпактора, за відносною вагою фракцій, в яких концент- рація нелеткої розчиненої речовини значно перевищує початкову.

Досліди показали, що значення ε1 зростає з підвищенням темпе- ратури газу, зменшується зі збільшенням питомої витрати розчину і

181

Розділ 4

мало змінюється при зміні швидкості газу (в обстеженому діапазоні 120…320 м/с). У результаті опрацювання експериментальних даних отримано емпіричну залежність між ступенем випаровування роз-

чину ε1 і безрозмірним «критерієм випаровування»:

	U1	=	4xλ∆t		,	(4.19)
			vгLγрd2	(Gp /Gг )

де U1 — критерій випаровування; х — характерний лінійний розмір

системи (довжина дифузора випускного насадка генератора), м; λ — теплопровідність газу, Вт/(м·К); ∆t — різниця температур газу і роз- чину, °С; vг — швидкість газу, м/с; L — прихована теплота випаро-

вування рідини, Дж/кг; γр — питома вага рідини, Н/м3; d — середній

діаметр «первинних» краплинок, який визначають за формулою (4.6); Gр — витрата рідини; Gг — витрата газу.

Критерій U1 характеризує відношення часу випаровування кра- плини середнього розміру до часу її перебування в гарячому газі.

4.1.5.Вплив розмірів краплин на ефективність обприскування і обґрунтування оптимальної дисперсності

За різних способів розпилення утворюються системи краплин різ- них розмірів (полідисперсний спектр) або краплини одного певного розміру (монодисперсний спектр) у межах 350…25 мкм. Часточки одного й того самого препарату, але різних розмірів, мають різну токсичність. Великі краплини гірше утримуються на об’єктах оброб- ки, мають меншу токсичність для шкідливих організмів, можуть призводити до опіків листочків культурних рослин. Дрібні краплин- ки при такій самій витраті пестициду на одиницю площі повніше і рівномірніше покривають оброблюваний об’єкт, краще утримуються на поверхні листочків рослин, стійкіші до змивання дощем. Отже, чим вища дисперсність розпилення, тим більша токсичність пести- циду. Для оцінювання дисперсності розпилення введено поняття середнього діаметра. Якщо краплини, що виходять із розпилювача, уловлювати на предметні стекла, спеціально оброблені паперові картки та інші уловлювальні поверхні, то краплини залишають на цих поверхнях слід, за яким можна підрахувати діаметр краплини:

dкр =				dcл		,	(4.20)
	3	4 sin	3	3
				α/(2 + cos	α −3cos α)

де dкр — діаметр краплини; dсл — заміряний діаметр сліду крапли-

182

Основи теорії та розрахунку машин для захисту рослин

ни; α — кут між дотичною до сфери краплини в точці її перерізу об- роблюваною поверхнею і самою поверхнею.

Знаючи коефіцієнт розтікання, який залежить від властивостей поверхні, діаметр сліду краплини можна підрахувати за такою за- лежністю:

k =		dcл					,	(4.21)
				3 d2
	3 h	h2	+
				4	сл

де k — коефіцієнт розтікання рідини краплини по даній поверхні;

h — висота краплини.

Оскільки за різних способів розпилення та при використанні різ- них розпилювачів отримують полідисперсний спектр краплин, для узагальнювальної оцінки роботи розпилювачів введено поняття се- реднього діаметра: середньоарифметичного, медіанно-масового, об’ємно-поверхневого тощо.

Середньоарифметичний діаметр краплин визначають за такою залежністю:

		n
		Σ n d
d	=	i=1	i i	,	(4.22)
		n
ap
		Σ n
		i=1	i

де dар — середньоарифметичний діаметр, мкм; ni — кількість краплин кожного розміру, мкм; di — діаметр краплин певного розміру, мкм.

Об’єктивнішим показником дисперсності розпилення є медіанно- масовий діаметр краплин, за середній діаметр краплин якого бе- руть такий діаметр, коли половина об’єму спектра розпилу знахо- диться в краплинах, менших від середнього діаметра, а інша поло- вина — у краплинах, більших від цього діаметра:

m		=	n		n d3 .	(4.23)
Σ n d3			Σ	+1
i−1	i i		i=m		i i

Середній об’ємно-поверхневий діаметр краплини (середній діа- метр за Заутером) визначають як відношення сумарного об’єму кра- плини в спектрі до розпилення до сумарної поверхні краплин:

k

Σ nidi3

ds = i=k1 , (4.24)

Σ nidi2

i=1

де ni — кількість краплин певного розміру di ; k — кількість розря- дів, на які розбито спектр краплин.

183

Розділ 4

Важливим критерієм оцінювання роботи обприскувачів, що за- лежить від критерію дисперсності, є ступінь покриття краплинами оброблюваної поверхні, %,

M = 100π n d2 + n d2 +... + n d2 =			25π ∑ n d2 ,			(4.25)
	( 1 1 2 2	n n )		n
4f			f	i=1 i i
0			0
де d1 , d2 , ..., dn — діаметри слідів краплин, мкм; n1 , n2					, ..., nn	— кі-

лькість краплин кожного розміру; f0 — досліджувана площа, мкм2.

Дослідженнями встановлено, що при дрібнокраплинному обпри- скуванні краща ефективність обробок досягається при менших сту- пенях покриття, розрахованих за формулою (4.25), ніж при велико- краплинному. Це пояснюється тим, що пре- парат діє також на деякій відстані від місця осідання краплин, тобто має певну зону біо- цидної дії. З цією метою введено коефіцієнт ефективної дії краплини kеф, який визнача-

ється відношенням загальної площі ефектив- ної дії до площі, утвореної слідом краплини (рис. 4.5). При цьому

Рис. 4.5. Площа сліду краплини і ефектив- ної дії препарату

πd2

Scл = 4cл .

Площа ефективної біоцидної дії препарату

Seф = 4π(dcл + 2r)2 .

Зона біоцидної дії r змінюється в межах 100…200 мкм. Коефіцієнт ефективної дії краплини

k	=	Seф	=	(dcл + 2r)2	.	(4.26)
еф		Scл		d2
				cл

Отже, зі зменшенням розмірів краплини коефіцієнт її ефектив- ної дії збільшується. Тому правильніше оцінювати якість покриття при дрібнокраплинному обприскуванні, ввівши поняття «ступінь ефективного покриття», який визначають за формулою

Mеф = Mkеф.

Розглянуті способи розпилення і різні типи розпилювачів дають змогу отримати різний ступінь дисперсності розпилення робочої ріди- ни. Якщо при звичайному обприскуванні для одержання достатньої густоти краплин на одиницю оброблюваної поверхні цілком прийнят- ним може бути грубодисперсне розпилення (dcp= 250…300 мкм), то для

забезпечення потрібної густоти покриття при малооб’ємному і ультра-

184

Основи теорії та розрахунку машин для захисту рослин

малооб’ємному потрібне тонкодисперсне розпилення (50…150 мкм). До того ж зменшення діаметра краплин за лінійною залежністю в 2, 3, 4 і т.д. рази призводить до збільшення кількості краплин за ку- бічною залежністю, тобто в 8, 27, 64 і т.д. рази.

Норми витрати робочої рідини на
одиницю оброблюваної площі, як по-
казали спеціальні токсикологічні до-
сліди, в кілька разів, а часом і в кіль-
ка десятків разів перевищують потріб-
ну для 100 % ефективності. Проте не
вся розпилювана рідина осідає на
оброблювані об’єкти, причому, чим
вища дисперсність, тим осідання гір-
ше. Це можна підтвердити, розгля-
нувши рух краплини в повітряному	Рис. 4.6. Схема руху краплини
потоці (рис. 4.6).	в повітряному потоці
Краплина, що виходить з розпи-
лювача штангового або вентилятор-

ного обприскувача, перебуває на певній висоті Н над оброблюваною поверхнею. У горизонтальному напрямку краплина зазнає дії пові- тряного потоку з певною швидкістю v. У вертикальному напрямку вона рухатиметься під дією сили тяжіння зі швидкістю и, яку мож- на визначити за формулою Стокса:

	2gr2	(ρ	− ρ	)
u =		к	п		,	(4.27)
		9η

де и — швидкість краплини під дією сили тяжіння; g — прискорення вільного падіння; r — радіус краплини; ρк — щільність рідини крап-

лини; ρп — щільність повітря; η — кінематична в’язкість повітря.

Абсолютна швидкість краплини спрямовуватиметься під кутом α до горизонту

tg α = uv .

Тоді, в першому наближенні, відстань, на яку буде знесено крап- лину при досягненні нею обприскуваної поверхні, становитиме

	L =	H	=	Hv	,	(4.28)
		tg α		u

де L — відстань, на яку зноситься краплина; H — висота початково- го положення краплини над оброблюваною поверхнею; v — почат- кова швидкість краплини в горизонтальному напрямку.

Із залежності (4.28) випливає, що небезпека знесення краплини на значну відстань прямо пропорційна висоті розміщення над оброб-

185