Сборник статей
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 4.00 (1 Голос)

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ДРОБЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ ВРАЩАЮЩИМСЯ РАСПЫЛИТЕЛЕМ

В статье представлены методика проведения и результаты лабораторных исследований процесса механического дробления жидкости, определяются основные факторы, влияющие на медианно-массовый диаметр образующихся капель, и параметры вращающегося распылителя, при которых достигаются требуемые качественные показатели его работы, описывается устройство и принцип действия экспериментальной аэрозольной установки, приводится матрица планирования эксперимента. Ключевые слова – аэрозольная установка, вращающийся распылитель, лабораторные исследования, матрица планирования, радиус тарелки, угол атаки лопастей крыльчатки.

Проблема. Одной из первоочередных задач химической защиты растений является сокращение потерь урожая от вредителей и болезней с одновременным снижением загрязнения окружающей среды ядохимикатами. При этом особое внимание придаётся средствам механизации.

Многолетний опыт эксплуатации машин для химической защиты растений показал их неспособность обеспечивать малые расходы жидкости, качественный распыл и равномерность осаждения распыленного рабочего раствора на обрабатываемой поверхности. Устранение этих недостатков связано с высокими требованиями, предъявляемыми к опрыскивателям. Этим объясняется актуальность изучения, разработки и обоснования конструкций и параметров машин для химической защиты растений и их рабочих органов [3].

Цель. Установление логической связи между конструктивными и режимными параметрами вращающегося распылителя и качественными показателями его работы для всестороннего исследования факторов, влияющих на процесс механического дробления жидкости.

Основная часть. Методика проведения наших лабораторных исследований процесса механического дробления жидкостей была разработана в результате анализа и синтеза существующих методик исследования работы вращающегося распылителя, которые освещены в научных трудах таких учёных, как В. Ф. Дункский, Н. В. Никитин. М. С. Соколов, Д. Г. Войтюк.

Дисперсность является определяющим качественным показателем распыливания. Она оказывает существенное влияние на эффективность действия и норму расхода пестицидов. Согласно агротребованиям, предъявляемым к аэрозольной обработке, размер капель должен составлять 30…50 мкм [1].

При механическом распыливании жидкости медианно-массовый диаметр капель определяется по формуле Дунского, Никитина, Соколова [2]:

image001_20_12890323890483e876e18ac15ef9e3ae Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем (1)

где: w и RT – соответственно угловая скорость и радиус вращающегося

элемента;

s и r - поверхностное натяжение и плотность жидкости;

С – константа, зависящая от свойств жидкости и других факторов. Для воды и минеральных масел С»2,9 [2].

Целью лабораторных исследований вращающегося распылителя является изучение влияния на дисперсность дробления (медианно-массовый диаметр dM) двух факторов:

- радиус вращающейся тарелки RT, мм;

- угол атаки лопастей крыльчатки распылителя b, град (который влияет на частоту вращения распылителя nT, мин-1).

Вращающийся распылитель предлагаемой конструкции предназначен для применения на аэрозольном генераторе АГВ-600. В связи с этим для проведения опытов в качестве экспериментальной установки используется сам агрегат. Общий вид аэрозольного генератора АГВ-600 и предлагаемого распылителя представлены на рис. 1, 2, 3.

Опрыскиватель содержит (рис. 1 и 2) раму 3, ёмкость для рабочего раствора 2, заборную магистраль 10, фильтр 9, сливную магистраль 14, три центробежных насоса 6, клиноременную передачу 8, вентилятор 4, воздуховод 1, прицепную серьгу 11, нагнетательную магистраль 5, вращающийся распылитель 7. Привод рабочих органов осуществляется от вала отбора мощности 13 трактора через клиноременную передачу 8. Вращающийся распылитель 7 расположен на выходе из воздуховода 1, крепится к нему при помощи трёх кронштейнов и приводится во вращение мощным воздушным потоком, создаваемым вентилятором 4.

Аэрозольный генератор АГВ-600

Рис.1 – Аэрозольный генератор АГВ-600 (вид сзади)

Работает аэрозольный генератор АГВ-600 следующим образом.

Прицепная серьга 11 агрегата закрепляется на тягово-сцепном устройстве 12 трактора. Вал отбора мощности 13 последнего соединяется с валом первого центробежного насоса 6. При движении опрыскивателя вдоль крайнего ряда обрабатываемой плантации центробежные насосы 6 засасывают рабочий раствор и подают его через фильтр 9 под давлением из ёмкости 2 по заборной магистрали 10 к пульту управления 15, оттуда по нагнетательной магистрали 5 - к распыливающему устройству 7. Излишки жидкости возвращаются в ёмкость 2 через сливную магистраль 14. Вентилятор 4, приводимый во вращение при помощи клиноременной передачи 8, создает воздушный поток. Он подхватывает капли рабочего раствора и переносит их на поверхность листа обрабатываемых растений.

Аэрозольный генератор АГВ-600

Рис.2 – Аэрозольный генератор АГВ-600 (вид сбоку)

Предлагаемый вращающийся распылитель аэрозольного генератора АГВ-600 имеет крыльчатку 16 (рис. 3), которая вращается на подшипниках 21 при помощи лопастей, закреплённых на поворотных шайбах 26 зажимом 19 и ступицей 20. Жидкость подаётся к нему по нагнетательной магистрали 5. Внутри распылителя по каналу 18, расположенному внутри вала 17, она поступает в центральную часть корпуса 25, равномерно распределяясь вдоль его длины. Далее рабочий раствор идёт на рассекатель 23, находящийся рядом с вращающимися тарелками 24. По периферии последнего расположены цилиндрические канальцы. Проходя через рассекатель 23, рабочий раствор образует тонкую жидкостную плёнку, которая, попадая на вращающиеся тарелки 24, дробится на мелкие частицы под действием центробежной силы. Излишки не раздробленной жидкости выходят из корпуса 25 устройства через специальные отверстия. При этом они сталкиваются с сетчатыми разбрызгивателями 22. В результате этого происходит их первичное дробление. Второй этап распыливания образовавшихся частиц жидкости осуществляется в воздуховоде опрыскивателя под воздействием на них воздушного потока.

image004_10_e952bbef90903f14eb000acce7361db5 Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем

Рис. 3 – Предлагаемый вращающийся распылитель

В лабораторных условиях испытываются два вращающихся распылителя: базовый Micron X-1 и предлагаемой конструкции.

Опыты на аэрозольном генераторе АГВ-600 проводятся по следующей методике. Согласно разработанному плану эксперимента вращающийся распылитель оснащается крыльчаткой с необходимым углом атаки лопастей b и тарелками требуемого радиуса RT. Затем перед распылителем фиксируются индикаторные карточки «Навартис» на определённом расстоянии от него. Критерием его определения является равномерность густоты покрытия по ширине факела распыла [3]. Индикаторные карточки рекомендуется фиксировать на расстоянии 40, 60 и 80 см от распылителя [4]. Получаемые на них отпечатки жидкости просматриваются с помощью микроскопа отсчетного МБС-2, имеющего 56-кратное увеличение. После этого их величина умножается на коэффициент растекаемости, значение которого берётся из таблиц, в результате чего устанавливается истинный медианно-массовый диаметр капель dM.

Базовый вращающийся распылитель Micron X-1 испытывается при RT=40 мм и b=45°.

В опытах с предлагаемым образцом используются тарелки радиусом RT=40, 50 и 60 мм и крыльчатки с углом атаки лопастей b=20°, 30°, 40°.

Лабораторные исследования осуществляются с применением метода проведения полнофакторного эксперимента. Факторы, интервалы и уровни варьирования приведены в таблице 1, матрица планирования представлена в таблице 2. Выбор центра эксперимента и интервалов варьирования производится с учётом ограничения на размер капель и расход жидкости, регламентируемые агротребованиями.

Уравнение регрессии двухфакторного эксперимента имеет следующий вид [5]:

y=b0+b1x1+b2x2+b1,2x1x2, (2)

b0 – свободный член, равный выходу при Х=0;

b1, b2 – коэффициенты регрессии соответствующих факторов на изучаемый объект;

b1,2 – коэффициент регрессии 1,2 факторов взаимодействия.

Таким образом, имея два фактора, мы можем определить количество опытов по формуле [18]:

N=2n. (3)

Для нашего эксперимента N=22=4.

Таблица 1

Уровни варьирования факторов

№ п/п

Факторы

Обозначение

Уровни факторов

-1

+1

1

Радиус рабочего элемента, мм

80

120

2

Угол атаки лопастей крыльчатки, град

β

20

40

Следующим шагом разработки методики проведения двухфакторного эксперимента является составление матрицы планирования опытов (таблица 2).

Таблица 2

Матрица планирования двухфакторного эксперимента

№ опыта

х0

х1

х2

х1х2

Повторности

Ср. знач.

уср

у1

у2

у3

1

+

-

-

+

У11=30

У12=31

У13=32

Уср1=31

2

+

+

-

-

У21=44

У22=52

У23=66

Уср2=54

3

+

-

+

-

У31=33

У32=38

У33=44

Уср3=38

4

+

+

+

+

У41=31

У42=36

У43=42

Уср4=36

Полученные экспериментальные данные проверяются на воспроизводимость по критерию Кохрена [5]:

image005_20_2954fa6e8e420efec3695cdc20b8a91c Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем (4)

где: image006_19_26f9f0c23c219f4f97485123bed80401 Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем - дисперсия, характеризующая рассеяние результатов опытов на и-м сочетании уровней факторов;

р=1,2,…, mчисло параллельных опытов;

image007_22_1181b70e0ad605f86ecada738f21af5d Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем- наибольшая из дисперсий в строчках плана;

image008_22_40d9012576aefccdcabc063c07f31033 Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем- табличное значение критерия Кохрена при 5%-ном уровне значимости;

fn=n – число независимых оценок дисперсности;

fu=m-1 – число степеней свободы каждой оценки.

В случае выполнения данного неравенства процесс считается воспроизводимым.

Далее определяем дисперсность воспроизводимости (ошибку опыта) по формуле [5]:

image009_20_6f5c2d43d2bcba1f110bd5b54a63a5ab Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем (5)

В случае невыполнения неравенства (4) необходимо уточнить измерения в опыте с максимальной дисперсией [5].

Из таблицы 2 видно, что дисперсность дробления жидкости вращающимся распылителем определяется в трёхкратной повторности. Поэтому расчёт оценки дисперсии в каждой точки плана производится для каждого опыта:

image010_20_a64faa3585e8e24cb8c3887cc91aca39 Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем

Процесс воспроизводим, так как выполняется неравенство критерия Кохрена:

image011_22_c9ddeaad937851709bebdf41654328ce Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем

Дисперсия воспроизводимости (ошибка опыта) при этом равна:

image012_22_b89f23c8af895825641609279280c97c Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем

Значения коэффициентов регрессии определяются по формуле [5]:

image013_22_ac4b021d423e5dbf47b606a7d75279df Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем (6)

Для нашего эксперимента:

image014_23_6fdc2189952212f68ccf2bf5c1cf4a70 Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем

Следовательно, уравнение регрессии будет иметь вид:

image015_24_06556f86ec4aa49f1fc5a67533373ea3 Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем

Значимость коэффициентов регрессии оценивается с помощью критерия Стьюдента. Она подтверждается при выполнении неравенства [5]:

image016_24_2e12832b62b8bfc60621c043ca2eb16b Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем (7)

где: image017_23_c764a1d8fe84ebdc40a161ba50c1e7a7 Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем - 5%-ная точка распределения Стьюдента с fy степенями свободы.

image018_21_318acd0e64fd59ffd9ff571bebc5a692 Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем

Таким образом, можно сказать, что коэффициенты регрессии значимые, так как уравнение регрессии не поменяло вид.

Для проверки адекватности линейной модели используется критерий Фишера [5]:

image019_20_5c21327c8000cc91447bfef39ce7660c Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем (8)

где: image020_20_be1010939d641b37ca6147c6a1beff25 Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем дисперсия адекватности;

image021_20_adb396919b0716a207fae1f779a8bf06 Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем- расчётное значение отклика в и-м опыте;

image022_19_6f2de9df549e721366b995debbfb7605 Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем - критерий Фишера при 5%-ном уровне значимости;

image023_20_a867bbdee9bab1a57643394213ba556c Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем - число степеней свободы дисперсии адекватности;

image024_19_5fd2fe0961cba8d717cb150480932dfe Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем - число степеней свободы дисперсии воспроизводимости.

Порядок проверки адекватности следующий. Для каждого опыта определяется расчётное значение отклика (таблица 3).

Таблица 3

Проверка адекватности линейной модели

Опыт

image025_18_85a4f307648be5e9cc236ca5c5480179 Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем

image021_20_adb396919b0716a207fae1f779a8bf06 Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем

image026_19_30c8f5c842893d4467a154366913bad2 Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем

1

31

31

0

2

54

54

0

3

38

38

0

4

36

36

0

image027_19_b29b7cf12f0f12d4e562fb1bf14de2b3 Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем

image028_18_932a392dcc2835ebfd387941eb7fce2c Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем

Из этого следует, что уравнение регрессии адекватно. В раскодированном виде оно имеет вид:

image029_18_2d80ed41c052343700ccbde7496f3f49 Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем

где: dM – медианно-массовый диаметр капель, мкм;

RT – радиус вращающийся тарелки, мм;

b - угол атаки лопастей крыльчатки, град.

График зависимости медианно-массового диаметра капель от радиуса вращающейся тарелки и угла атаки лопастей крыльчатки распылителя

Рис. 4 – График зависимости медианно-массового диаметра капель от радиуса вращающейся тарелки и угла атаки лопастей крыльчатки распылителя.

На рис. 4 представлен график, построенный на основании реальных условий параметров вращающегося распылителя и имеющегося уравнения для определения дисперсности распыла.

Анализ изменения зависимости качественных показателей механического дробления жидкости от влияющих на них факторов показал, что медианно-массовый диаметр капель, образуемых предлагаемым вращающимся распылителем, вполне удовлетворяет условиям аэрозольной обработки многолетних насаждений, диапазон которого в среднем составляет 30…50 мкм.

Таким образом, можно сделать вывод, что применение предлагаемого вращающегося распылителя с установленными в результате исследований параметрами на аэрозольном генераторе АГВ-600 целесообразно при проведении аэрозольной обработки.

Список использованной литературы:

1. Догода П. А., Воложанинов С. С., Догода Н. П. Механизация химической защиты растений. – Симферополь: Таврия, 2000. – 140 с.;

2. Дунский В. Ф., Никитин Н. В., Соколов М. С. Пестицидные аэрозоли. – М.:Наука, 1982. – 288 с.;

3. Гончар М. Н. Методика проведения лабораторных исследований процесса пневматического распыливания рабочих жидкостей.// Машины и способы механизации сельскохозяйственного производства (технические науки). – Симферополь, 2005.– Выпуск №84. – с. 121-126;

4. Палапин А. В. Автореферат на тему: «Обоснование параметров распыливающего устройства  ультрамалообъёмного вентиляторного опрыскивателя». – www. pdffactory. com.;

5. Бабицкий Л. Ф., Булгаков В. М., Войтюк Д. Г. Основы научных исследований. Учебное пособие для студентов факультета механизации сельского хозяйства. – Киев: Издательство НАУ, 1999. – 205 с.

Лабораторные исследования процесса дробления жидкости вращающимся распылителем - 4.0 out of 5 based on 1 vote