Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние и перспективы применения электроаэрозолей в сельскохозяйственном производстве 14
1.1 Состояние и перспективы применения аэрозолей в животноводстве 14
1.1.1 Анализ методов дезинфекции животноводческих помещений 14
1.1.2 Аэрозольный метод дезинфекции животноводческих помещений 17
1.2 Состояние и перспективы применения аэрозолей в растениеводстве защищенного грунта 18
1.2.1 Анализ методов защиты растений 18
1.2.2 Аэрозольный метод защиты растений 21
1.3 Применение электроаэрозолей в сельском хозяйстве 24
1.4 Физические явления и технические средства в процессах получения и применения электроаэрозолей 27
1.4.1 Способы получения электроаэрозолей 27
1.4.1.1 Способы диспергирования жидкости 27
1.4.1.2 Способы зарядки аэрозоля 33
1.4.2 Создание и разрушение электроаэрозолей в закрытом помещении 39
1.4.2.1 Физические процессы в электроаэрозолях 39
1.4.2.2 Распространение электроаэрозоля в помещении 43
1.4.2.3 Осаждение электроаэрозоля на поверхностях 44
1.4.3 Технические средства для получения электроаэрозолей, их преимущества и недостатки 46
1.5 Выводы и постановка научной задачи исследования 49
2 Математическое моделирование процессов генерации и применения электроаэрозолей 51
2.1 Математическое моделирование процессов генерации электроаэрозоля 51
2.1.1 Электрическое поле генератора 51
2.1.2 Зарядка одиночной капли в генераторе 57
2.1.2.1 Конвекционный ток при первом режиме распыления 62
2.1.3 Зарядка жидкой нити в генераторе 67
2.1.3.1 Конвекционный ток при втором режиме распыления 73
Выводы 77
2.2 Математическое моделирование процесса электроаэрозольной обработки помещений 79
2.2.1 Создание и распространение электроаэрозоля в помещении . 79
2.2.2 Электроаэрозольная обработка помещения 90
Выводы. 93
2.3 Математическое моделирование процесса обеспыливания воздуха помещений 94
Выводы 99
2.4 Математическое моделирование процесса увлажнения воздуха помещений 100
Выводы 105
2.5 Математическое моделирование процесса осаждения электроаэрозоля на растениях 106
Выводы 117
3 Определение технологических параметров электроаэрозольных обработок 119
3.1 Определение параметров электроаэрозольного генератора 119
3.2 Параметры электроаэрозоля для дезинфекции воздуха 122
3.3 Параметры электроаэрозоля для дезинфекции поверхностей. 124
3.4 Расчет расположения электроаэрозольных генераторов 131
Выводы 133
4 Экспериментальные исследования электроаэрозольных систем 135
4.1 Методы исследования электроаэрозолей 135
4.1.1 Методы оценки дисперсионных характеристик 136
4.1.2 Измерение заряда электроаэрозольных частиц 143
Выводы 150
4.2 Исследование процессов зарядки и распыления жидкостей в экспериментальном генераторе 151
4.2.1 Разработка экспериментальной установки 151
4.2.2 Измерение дисперсионных характеристик электроаэрозоля. 155
4.2.3 Измерение конвекционного тока и удельного заряда электроаэрозоля 159
4.2.4 Обработка результатов экспериментальных исследований 163
4.2.5 Исследование зарядки аэрозоля в поле коронного разряда 170
4.2.6 Исследование пневматических электроаэрозольных распылителей 174
Выводы 178
4.3 Исследование распространения и осаждения электроаэрозоля в экспериментальной камере 180
Выводы 187
5 Новые электроаэрозольные генераторы для сельскохозяйственного производства 188
5.1 Разработка опытно-производственных электроаэрозольных генераторов 188
5.2 Расчет элементов электроаэрозольного генератора на прочность 203
5.3 Разработка источника высокого напряжения для электроаэрозольных генераторов 205
Выводы 207
6 Производственные испытания электроаэрозольных генераторов 208
6.1 Распространение электроаэрозоля в закрытом помещении 208
Выводы 214
6.2 Изучение влияния электроаэрозолей химических веществ на качество обработки сельскохозяйственных объектов 215
Выводы. 227
7 Экономическая эффективность применения электроаэрозолей в сельском хозяйстве . 228
Заключение и общие выводы 242
Литература 245
Приложения 278
- Технические средства для получения электроаэрозолей, их преимущества и недостатки
- Математическое моделирование процесса обеспыливания воздуха помещений
- Измерение конвекционного тока и удельного заряда электроаэрозоля
- Разработка источника высокого напряжения для электроаэрозольных генераторов
Введение к работе
Дальнейшее развитие сельскохозяйственного производства, получение высококачественной, экологически чистой продукции возможно с совершенствованием старых и применением новых интенсивных технологий производства в животноводстве и растениеводстве.
Концентрация современного производства на ограниченных территориях создает благоприятную среду для распространения болезнетворных микроорганизмов, вредителей и сорняков. Попадая в воздушную среду, микроорганизмы образуют огромное количество аэропланктона, который оседает на поверхностях животноводческих зданий и тепличных комплексов, распространяется по всей производственной зоне и за ее пределами.
Большая обсемененность воздуха микроорганизмами создает опасность аэрогенного распространения патогенной микрофлоры из одного производственного корпуса в другой. В этих условиях возможен массовый охват поголовья животных инфекционными заболеваниями. Постоянное воздействие патогенной микрофлоры приводит к снижению продуктивности животных на 15...20 %. В тепличных хозяйствах бактериальные аэрозоли могут нередко вызывать эпифитотии, что приводит к потерям продукции до 25%.
В связи с этим особую актуальность приобретает совершенствование методов дезинфекции и дезинсекции воздуха и поверхностей помещений, лечебно-профилактической обработки животных и защиты растений.
К одним из перспективных относится метод электроаэрозольной дезинфекции, дезинсекции и дезодорации производственных помещений, служебных зданий, средств транспорта, групповой вакцинации животных и птиц, обеспыливания и увлажнения воздуха животноводческих помещений; защиты растений, внекорневой подкормки, дезинфекции теплиц и складских помещений в растениеводстве.
Исследования в направлении решения указанной научно-технической проблемы выполнялись автором с 1988 года в соответствии с государственной научно-технической программой 0.51.21, задание 02 - «Разработать и внедрить новые методы и автоматизированные технические средства применения электрической энергии в технологических процессах сельскохозяйственного производства», теме НИОКР «Получение и использование электроаэрозолей в сельскохозяйственном производстве», регистрационный номер 0120.0 600118.
Цель исследования. Повышение эффективности сельскохозяйственного производства путем применения электроаэрозольных обработок животноводческих помещений, животных и растений.
Объект исследования. Сельскохозяйственные биологические объекты, технологии электроаэрозольных обработок.
Предмет исследования. Определение оптимальных технологических и технических параметров электроаэрозольных обработок.
Методы исследования. В работе использованы аналитические и экспериментальные методы, в основу которых положен системный подход. Разработка методологических основ расчета, проектирования и решения комплексной проблемы, имеющей инженерно-технические, ветеринарные и агротехнические аспекты, базировалась на математическом моделировании электротехнических, динамических и кинетических процессов в электроаэрозольных генераторах и системах электроаэрозольной обработки. Экспериментальные исследования выполнены с использованием методов математической статистики с применением компьютерной техники и прикладных пакетов компьютерных программ.
Научная новизна работы состоит в:
разработке математической модели генерации электроаэрозоля;
разработке математической модели распространения и осаждения электроаэрозоля в закрытом помещении;
разработке математических моделей обеспыливания и увлажнения закрытых помещений, обработки растений в сооружениях защищенного грунта;
обосновании методики расчета технологических параметров электроаэрозольных обработок закрытых помещений;
разработке комплекса технических средств электроаэрозольной обработки сельскохозяйственных помещений;
исследовании влияния электроаэрозольных обработок в животноводческих помещениях на бактериальную обсемененность воздуха и производственных поверхностей, рост и развитие животных, защиту растений в сооружениях защищенного грунта.
Практическая ценность диссертации заключается в том, что разработанные теоретические положения, математические модели и результаты лабораторных и производственных экспериментальных исследований позволяют проектировать системы электроаэрозольной обработки закрытых помещений, животных и растительных объектов; разработан технологический процесс и комплекс технических средств электроаэрозольной обработки, адекватно отображающий все многообразие объектов обработки в животноводстве и растениеводстве защищенного грунта; применение электроаэрозольной обработки снижает в 1,5...2 раза расход химических средств, повышает продуктивность животных на 2...7%, обеспечивает экологическую безопасность при применении токсичных химических средств.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований и комплекс технических средств апробированы и внедрены на ряде животноводческих комплексов и птицефабрик Удмуртской Республики. Методиче-
ские положения, конструктивные разработки и рабочие чертежи на электроаэрозольные генераторы переданы в ООО «Агромехмонтаж», начат выпуск опытной партии электроаэрозольных генераторов. Результаты исследований также используются в учебном процессе ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА. На защиту выносятся следующие основные положения:
математическая модель и результаты экспериментальных исследований процесса генерации электроаэрозоля;
математическая модель и результаты исследований распространения и осаждения электроаэрозоля в закрытых помещениях;
математические модели и результаты экспериментальных исследований процессов обеспыливания и увлажнения закрытых помещений, обработки растений в сооружениях защищенного грунта;
методы расчета технологических параметров электроаэрозоля и технических средств обработки помещений;
технология и комплекс технических средств электроаэрозольной обработки сельскохозяйственных помещений;
влияние электроаэрозольной обработки в животноводческих помещениях на бактериальную обсемененность воздуха и производственных поверхностей, рост и развитие животных, защиту растений в сооружениях защищенного грунта.
Апробация работы
Основные положения работы и результаты исследований доложены и обсуждены на: II всесоюзной научно-технической конференции «Энергосберегающее электрооборудование для АПК» (Москва, 1990), научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в агропромышленном производстве» (Москва, 1990), IV всесоюзной конференции «Применение электронно-ионной технологии в народном хозяйстве» (Москва, 1991), II всесоюзной конференции «Физика и техника монодисперсных систем» (Мо-
сква, 1991), республиканской научно-производственной конференции «Проблемы ветеринарной санитарии» (Казань, 1991), научно-производственных конференциях профессорско-преподавательского коллектива ИжГСХА (1991, 1995, 1997, 1999, 2000, 2001), юбилейной межвузовской научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе» (Кострома, 1999), республиканской научно-практической конференции «Аграрная наука на рубеже тысячелетий» (Ижевск, 2001), межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Перспективы развития регионов России XXI веке» (Ижевск, 2003), международной научно-практической конференции, посвященной 25-летию ФЭАСХ и кафедры ЭТСХП «Проблемы развития энергетики в условиях производственных преобразований» (Ижевск, 2003), международной научно-технической конференции «Автоматизация сельскохозяйственного производства» (Кострома, 2004), международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы аг-роинженерной науки», посвященной 75-летию Московского ГАУ (Москва, 2005), межрегиональной конференции «Высшему агроинженерному образованию в Удмуртии - 50 лет» (Ижевск, 2005), 5-й международной научно-технической конференции ВИЭСХ (Москва, 2006), всероссийской научно-практической конференции «Научное обеспечение реализации национальных проектов в сельском хозяйстве» (Ижевск, 2006).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 49 научных работ, в том числе 1 монография, получено 3 авторских свидетельства на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа содержит 277 страниц машинописного текста, 109 иллюстраций, 12 таблиц, 26 приложений и список литературы из 315 наименований, в том числе 60 на иностранных языках.
Технические средства для получения электроаэрозолей, их преимущества и недостатки
Пневматическим способом жидкость дробится высокоскоростной струёй распыливающего газа. Дисперсность распыла определяется относительной скоростью и объемными расходами жидкости и газа и составляет менее 100 мкм [61, 153]. Расход энергии на распыление в 20 и более раз выше, чем при гидравлическом способе распыления. Для создания потока газа необходим компрессор, к.п.д. которого вместе с подводящей линией не превышает 12% [194]. К достоинствам этого способа распыления следует отнести надежность в эксплуатации и возможность распыления высоковязких жидкостей.
В сельскохозяйственной практике получили распространение пневматические форсунки ПВАН, ТАН, позволяющие получать аэрозоль со средним медианным диаметром более 20 мкм при производительности около 0,3 мл/мин, распылитель сфокусированных струй жидкости РССЖ, имеющий производительность 0,25...0,4 л/мин и размер частиц 18...60 мкм [176]. Для получения высокодисперсных аэрозолей используют генератор САГ-1, создающий аэрозоль с размером частиц менее 16 мкм при расходе жидкости 60...80 мл/мин [33, 34,84].
Механическое распыление осуществляется вращающимися механизмами типа диска, конуса, чаши и т.п. Жидкость в поле центробежных сил растекается по поверхности распылителя, приобретает кинетическую энергию и срывается с кромки в виде отдельных капель, тонких нитей или пленки. Характер распыления находится в сильной зависимости от расхода жидкости и линейной скорости вращения диска. Дисковые генераторы по сравнению с другими типами - гидравлическими и пневматическими - имеют распыление, приближенное к монодисперсному (коэффициент вариации менее 0,3), позволяют изменять размеры капель в широких пределах, не забиваются нерастворимыми примесями распыливаемых жидкостей [23, 62, 74, 76, 78,98,259,278]. К недостаткам способа можно отнести большие расходы энергии на распыление, т.к. значительная часть полезной мощности теряется на трение диска о воздух и вентиляционный эффект.
В сельском хозяйстве нашли применение генераторы ДАТ производительностью 10 мл/мин и размером частиц аэрозоля 8... 12 мкм, и дисковые генераторы с электроприводом повышенной частоты, имеющие производительность 40...60 мл/мин и размеры частиц около 8 мкм [84]. Во ВНИИВС разработаны генераторы повышенной производительности до 4 л/мин [7]. Находят применение распылители с зубчатой периферией диска [258,260,272].
Ультразвуковой способ распыления основан на явлении кавитации, возникающей при создании в жидкости волн с частотой более 20 кГц. Размеры капель, получаемые таким способом, не превышают 120 мкм. К недостаткам способа следует отнести малую производительность - до 6 л/час и необходимость сложного дорогостоящего оборудования [154]. Как правило, этот способ распыления используют в совокупности с рассмотренными способами, например, пневматическим, что приводит к уменьшению размера частиц [178,183].
Акустический способ распыления осуществляется при воздействии ультразвуковых колебаний воздуха на жидкость. Используется совместно с другими способами распыления, например, с пневматическим, при этом достигается значительное уменьшение размера частиц аэрозоля без существенного повышения энергетических затрат [135, 153]. К недостаткам способа можно отнести сложность конструкции распылителей и значительный шум при их использовании. Ультразвуковой и акустический способы распыления недостаточно изучены и не вышли пока за рамки отдельных лабораторных испытаний.
Значительный интерес представляет пулъсационное распыление, основанное на создании дополнительных возмущений в жидкости, которая дробится каким-либо из перечисленных способов. Эти возмущения-пульсации возникают при резком изменении расхода или давления жидкости и приводят к увеличению поверхностной энергии жидкости и более тонкому распылению. Практически без увеличения энергетических затрат и незначительном усложнении конструкции распылителя достигается уменьшение размера частиц на 20...30% [154]. Механизм пульсационного распыления изучен недостаточно, поэтому эффективные границы её применения пока не определены.
Электрическое распыление достигается дроблением капли или струи жидкости в сильном электрическом поле. За счет перераспределения электрических зарядов на капле её поверхность растягивается, из капли вытекает струйка жидкости, которая разрывается, образуя множество более мелких капель [28, 293]. Гидравлическая неустойчивость капли наблюдается при равенстве сил поверхностного натяжения и сил электрического поля [27, 75]. Данный способ нашел применение в лакокраске [146]. Незначительная производительность при высоких энергетических затратах и сложном оборудовании является существенным недостатком способа.
Вместе с тем электрическое распыление частицы приводит к её электризации, в результате аэрозоль приобретает совершенно иные свойства, позволяющие более эффективно его использовать. В связи этим применение электрического способа совместно с другими способами распыления является весьма перспективным.
Распыление с предварительным газонасыщением близко к гидравлическому распылению. При этом способе жидкость перед подачей в распылитель или непосредственно в самом распылителе насыщают газом. Возрастаниє энергии потока жидкости, а также быстрое расширение пузырьков и десорбция газа при истечении жидкости из газа приводят к ее распаду на более мелкие, чем в условиях гидравлического распыления, капли [153].
При электрогидравлическом распылении потоку жидкости сообщается дополнительная энергия за счет высоковольтного электрического разряда в полости распылителя. В образующемся плазменном шнуре наблюдается скачок давления до тысяч МПа, происходит выброс высокоскоростного потока раздробленных капель [153, 207]. Сопровождающие разряд эффекты (ударная волна, кавитация) дополнительно дробят капли в промежуток между импульсами.
Электрогидравлическое распыление позволяет управлять дисперсными характеристиками распылов в широких пределах, но не вышло пока за пределы лабораторных исследований.
Математическое моделирование процесса обеспыливания воздуха помещений
Одна из первых конструкций дискового электростатического распылителя с индукционной зарядкой была предложена Дунским В.Ф. и Китаевым А. В. [45].
Распылитель состоит из заземленного диска, закрепленного на валу электродвигателя и размещенного в продувной трубе, служащей корпусом устройства и кольцевого электрода, соединенного с источником высокого напряжения.
При вращении заземленного диска подаваемая через вал жидкость растекается тонкой пленкой по его поверхности и заряжается под влиянием кольцевого электрода. При достижении кромки диска пленка жидкости срывается в виде заряженных капель.
С целью повышения надежности и эффективности зарядки плохо проводящих жидкостей Безкровный Н.Ф. и Мартыненко И.И. [215] предложили устройство для распыления жидкостей, содержащее корпус, на котором жестко закреплен диск, соединенный с источником высокого напряжения, установленный на валу и заземленный распылительный диск со смонтированной на нем крыльчаткой с зазором к заземленному диску.
В этом устройстве диэлектрическая крыльчатка, установленная на заземленном диске, создает мощный воздушный поток, который изолирует потенциальный диск, и, подхватывая срывающиеся с края диска частицы, разносит их по всему помещению.
С целью повышения электробезопасности во время работы и эффективности зарядки частиц Шмигель В.Н. и Савушкин А.В. [216] предложили устройство, отличающееся от рассмотренного тем, что диск, соединенный с источником высокого напряжения, закреплен на нижнем торце крыльчатки. За счет чего значительно снизилось напряжение зарядки, исчезла опасность «электрического пробоя», связанная с вибрацией. Для увеличения дисперсности и однородности аэрозоля этими же авторами предложен электростатический распылитель с распыливающим диском в виде двух конусов разной высоты, над кромками которых расположен кольцевой ступенчатый высоковольтный электрод [249]. Увеличение дисперсности аэрозоля достигается за счет ступенчатого распыления жидкости на распыливающих элементах. Электроаэрозольный генератор [246] снабжен с этой же целью отражателями, в которых улавливаются крупные и незаряженные капли, а высокодисперсный аэрозоль выносится за пределы генератора под действием воздушного потока, создаваемого вентилятором. Астапов СВ. и Блюмин Г.З. [7] предложили аэрозольные генераторы с электроприводом повышенной частоты. Имея производительность 1...3 л/мин, генераторы не заряжают получаемый аэрозоль. В механических электроаэрозольных генераторах в большинстве случаев используют индукционную зарядку [45, 47, 73, 168, 202, 215]. Существуют генераторы с зарядкой на электроде [213,248]. Блюмин Г.З., Ярных B.C., Ловушкин В.Н., Закомырдин А.А. предложили генератор с трибоэлектризацией, зарядка происходит за счет трения генератора о воздух [8]. Криштоф К.А. предложил генератор с транспортером зарядов в виде кольца из изоляционного материала [167]. Буреев И.А., Батюк Ю.Н. для зарядки аэрозоля использовали электрическое поле электрета [247]. Электростатический метод распыления использован в генераторах Electrodyn [269], в электростатических распылительных устройствах [217,250]. Предложены пневматические генераторы с индукционной зарядкой [169, 203, 244]. В технологиях электроокраски используют пневматические генераторы с получением зарядов в поле коронного разряда [218]. В медицине используют пневматические электроаэрозольные генераторы для групповой ингаляции (www.tochmedpibor.ru, www.med-zp.com, www.zavclub.chat.ru). Верещагин И.П., Макальский Л.М., Волога A.M. предложили конденсационный генератор электроаэрозолей с зарядкой в поле коронного разряда [46,241]. В генераторе Руденко В.М. и Сажина Ф.М. для распыления аэрозоля использована энергия электролиза в емкости с распыливаемой жидкостью [48]. Технические характеристики некоторых электроаэрозольных генераторов приведены в приложении А. Анализ показывает, что существующие электроаэрозольные генераторы на больших объемах распыливаемой жидкости имеют невысокие удельные заряды и не эффективны, по своим техническим параметрам, для обработок крупногабаритных сельскохозяйственных помещений. 1.5 Выводы и постановка научной задачи исследования Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы: 1. Эффективность ветеринарной защиты животных и агротехнических мероприятий по защите растений значительно повышается при использовании химических и биологических средств в виде аэрозолей. 2. Электризация аэрозолей позволяет качественно улучшить технологию обработок. Повышается обеззараживающий эффект аэрозоля, в несколько раз увеличивается осаждение частиц на вертикальные поверхности помещения, уменьшается расход препаратов на обработку. 3. Наиболее рациональным способом получения электроаэрозолей для дезинфекции является механический с зарядкой в электростатическом поле. 4. Теоретические положения процесса генерации электроаэрозоля механическим электроаэрозольным генератором требуют доработки. 5. Теоретические положения, описывающие вопросы распространения и осаждения электроаэрозольных частиц как единого процесса не разработаны. 6. Существующие опытные разработки генераторов не подходят для обработки крупногабаритных помещений по конструктивным параметрам. Целью исследований является повышение эффективности сельскохозяйственного производства путем применения электроаэрозольных обработок животноводческих помещений, животных и растений.
Измерение конвекционного тока и удельного заряда электроаэрозоля
Мероприятия по защите растений в защищенном грунте в большинстве случаев включают обработку растений препаратами в аэрозольной форме (п. 1.1).
При обработке растений часть мелких капель аэрозоля длительное время остается во взвешенном состоянии и уничтожает летающих вредителей (белокрылка, минирующие мушки, флоридская мушка, плодовые комарики). При этом обеспечивается хорошая газообразная фаза, что влечет за собой повышение токсичности действия препаратов. Фракция более крупных капель обеспечивает покрытие листвы препаратом и длительность ее воздействия.
При распылении незаряженного водного аэрозоля стабильность, видимость и способность находиться во взвешенном состоянии улучшаются по мере снижения температуры в теплице. Эффективность препаратов усиливается с ростом влажности воздуха. При влажности воздуха менее 60% капельки водного тумана испаряются через несколько метров пути к растению. Таким образом, незаряженный аэрозоль рекомендуется распыливать при невысоких температурах (ниже 15 С) и возможно более высокой влажности воздуха (свыше 80%).
В отличие от традиционных методов опрыскивания, распыление растворов химических препаратов с последующей зарядкой в электрическом поле, имеет ряд преимуществ: выравнивается осаждение препаратов на растения, происходит обработка как внешней, так и внутренней стороны листьев, уменьшается время и трудоемкость обработок, сокращается расход препаратов, появляется возможность распыления при более высоких температурах и низкой влажности.
Эффективность обработки определяется степенью осаждения капель электроаэрозоля на растения и глубиной проникновения электроаэрозоля в растительный слой.
Закономерности рассеяния электроаэрозолей в растительности очень сложны, т. к. структура самой растительности влияет на конфигурацию электрического поля. Кроме того, процесс осаждения электроаэрозольных капель зависит от скорости потока и характера ее движения, начальной концентрации электроаэрозоля, микрошероховатости поверхности растений и т.д.
Возможны два варианта расположения электроаэрозольных генераторов в сооружениях защищенного грунта: 1) фронтальное вблизи растений и 2) над растительным слоем. Рассмотрим эти варианты расположения генераторов.
При фронтальном расположении генераторов электроаэрозоль в растительный слой проникает за счет первоначального импульса скорости и воздушного потока в виде турбулентной струи. Задача, связанная с прохождением турбулентной незаряженной струи через полупроницаемое препятствие решена в [79]. Определим скорость турбулентной струи в растительном слое. Вследствие неразрывности течения струи принято, что в струе проходящей через полупроницаемое препятствие, как и в невозмущенной струе, сохраняется подобие профилей скоростей и что эти профили приближенно соответствуют уравнению профиля для основного участка невозмущенной струи. Скорость на основной оси незаряженной струи определяется формулой Толмина [78] где а - константа, зависящая от структуры потока в начальном сечении и имеющая величину порядка 0,07...0,08. При зарядке аэрозоля, к основной скорости движения струи добавляется скорость электростатического рассеяния электроаэрозоля. Выражение для скорости движения электроаэрозоля получено в виде где т]в - динамическая вязкость воздуха, Н-с/м2; г - радиус капель электроаэрозоля, м; Е- напряженность электрического поля генератора, В/м; q - электрический заряд капель электроаэрозоля, Кл. Расчетные зависимости, полученные по выражению (2.121), приведены на рис. 2.26. Программа расчета приведена в приложении П. Из рисунка видно, что скорость турбулентной струи аэрозоля существенно падает при движении в глубь растительного слоя. Это связано с сопротивлением воздуха движению частиц аэрозоля. Однако скорость заряженного аэрозоля, за счет действия сил электростатического рассеяния, убывает меньше по сравнению со скоростью незаряженного аэрозоля. Расчетные зависимости, полученные по выражению (2.123) приведены на рис, 2.27. Программа расчета дана в приложении П. Как видно из рисунка при одинаковой глубине проникновения радиус струи электроаэрозоля 1,5...2 раза больше радиуса струи незаряженного аэрозоля. Это указывает на то, что при прочих равных условиях при использовании электроаэрозоля обрабатывается больший объем растительного материала.
Разработка источника высокого напряжения для электроаэрозольных генераторов
Электроаэрозольные методы обработки в сельском хозяйстве могут применяться во многих технологических процессах. Это дезинфекция, дезинсекция, дезодорация, обеспыливание и увлажнение животноводческих помещений, ингаляция животных и птицы лекарственными препаратами, обработка и внекорневая подкормка растений в сооружениях защищенного грунта, дезинфекция складских, вспомогательных помещений и транспорта.
Разные направления использования электроаэрозольных обработок предъявляют свои требования к параметрам электроаэрозоля, в частности, к дисперсности и удельному заряду. В свою очередь ветеринарные и агротехнические нормативы предъявляют требования к концентрации электроаэрозоля, плотности покрытия поверхностей и растений.
Исследованиями ряда авторов установлены оптимальные размеры капель аэрозоля для разных технологических процессов. Так, для дезинфекции поверхностей диаметр капель аэрозоля должен лежать в пределах 20...30 мкм [251]; дезинфекции, обеспыливания и увлажнения воздуха помещений - 5...10 мкм [26, 85, 251]; обработки растений - 5...20 мкм [80, 150, 196, 281, 295, 296]; ингаляции животных лекарственными препаратами-2... 10 мкм [251].
Величина удельного заряда электроаэрозоля должна лежать в пределах 2...4 мкКл/мл [63, 69, 85, 92, 113, 180] при производительности генератора 4...9 мл/с.
Таким образом, при конструировании электроаэрозольных генераторов необходимо учитывать особенности технологических процессов и создавать генераторы с широким пределом регулирования параметров их работы.
На основе технологических требований к электроаэрозольным обработкам и теоретических исследований (раздел 2.1) была разработана номограмма [184] для определения конструктивных и режимных параметров электроаэрозольного генератора (рис.3.1). Порядок использования номограммы следующий.
Задаваясь средним размером аэрозольных частиц г и производительностью генератора 0,ж, по промежуточному параметру Р = R3/2a? определяют угловую частоту вращения со и радиус R генератора. Далее, задавая напряжение зарядки U и исходя из принятого радиуса части г, находят удельный заряд электроаэрозоля qyd, по которому с учетом коэффициента неравномерности обработки Кн снова устанавливают радиус частиц. Если принятое и определенное по номограмме значения этого радиуса различаются не более чем на 10... 15 %, то выбор параметров генератора считают законченным. Если различие более значительно, то задаются другими определяющими значениями.
К примеру, задаваясь радиусом г = 15 мкм и производительностью (2Ж= 4 мл/с, получим частоту вращения со = 837 с-1 и радиус генератора R = 0,16 м. Задавая напряжение зарядки U = 3 кВ, получим удельный заряд электроаэрозоля qyd = 6,8 мкКл/мл, с учетом коэффициента неравномерности обработки Кн = 0,7 получим новый радиус частиц г = 14 мкм. Разница составляет 7 %.
Использование номограммы можно начинать с любого ее квадранта, выбирая в качестве исходных те параметры, которые технически наиболее легко реализуемы.
По выражению (3.4) построены зависимости установившейся концентрации электроаэрозоля от параметров работы электроаэрозольного генератора (рис.3.2...3.3). Программа расчета приведена в приложении Т.
Из рисунков видно, что установившаяся концентрация электроаэрозоля увеличивается с повышением производительности генератора. При увеличении напряжения зарядки концентрация электроаэрозоля несколько уменьшается. Наиболее заметно уменьшение концентрации на повышенных расходах жидкости, связано это с усилением действия сил электростатического рассеяния. С увеличением расстояния от генератора концентрация электроаэрозоля понижается, причем снижение более выражено при высоких напряжениях зарядки. Это свидетельствует о высокой скорости распространения заряженного аэрозоля.
