Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние проблемы, цель и задачи исследования .17
1.1. Роль предпосевной обработки семенного материала в повышении урожайности сельскохозяйственных культур 17
1.2. Направления совершенствования технических средств процессов предпосевной обработки 1.2.1. Классификация способов распыливания жидкостей и видов распылителей 26
1.2.2. Классификация и сравнительный анализ технических средств предпосевной обработки 30
1.2.3. Экспериментальный анализ влияния рабочих органов технических средств предпосевной обработки на биопрепараты 40
1.3. Анализ теоретических и экспериментальных исследований процессов предпосевной обработки 43
1.4. Методики регистрации и обработки данных при экспериментальных исследованиях процессов предпосевной обработки .51
1.5. Состояние проблемы и задачи исследования 53
ГЛАВА 2. Механико-технологические основы процессов предпосевной обработки семенного материала .57
2.1. Определение возможности математического описания технологи ческого процесса работы распылительных систем технических средств
для предпосевной подготовки в виде течения газа с частицами .57
2.2. Физические аспекты образования капель аэрозоля различными типами распылителей в камере образования и транспортирования .
Процесс покрытия семенного материала аэрозолем в камере обработки .64
2.2.1. Образование капель аэрозоля гидравлическими распылителями 64
2.2.2. Технологический процесс образования аэрозоля механическими дисковыми распылителями камерных технических средств .69
2.2.3. Физические аспекты образования капель аэрозоля пневматическими распылителями камерных технических средств 76
2.2.4. Дробление капель аэрозоля на «вторичные» при ударе о неподвижное препятствие 79
2.2.5. Технологический процесс обработки семенного материала каплями аэрозоля, образованными различными типами распылителей 2.3. Обоснование возможности использования методов динамики двухфазных течений для математического описания процессов предпосевной обработки .90
2.4. Обоснование основных допущений и упрощений модели технологического процесса предпосевной обработки семенного материала .99
Выводы по главе 104
ГЛАВА 3. Математическая модель технологического процесса образования аэрозоля при предпосевной обработке семенного материала .. 107
3.1. Обоснование области расчета математической модели технологи-ческого процесса технических средств предпосевной обработки 107
3.2. Моделирование потока воздуха, создаваемого вентилятором технического средства для предпосевной обработки 110
3.3. Граничные условия взаимодействия аэрозоля с рабочими поверхностями и стенками технических устройств 118
3.4. Математическая модель образования капель аэрозоля 123
3.4.1. Обоснование области расчета пневмораспылительной насадки .123
3.4.2. Численная реализация математической модели получения «вторичных» капель аэрозоля при ударе о рассекатель в камере образования и транспортирования аэрозоля 129
3.4.3. Моделирование процесса образования «вторичных» капель аэрозоля на основе аппроксимации опытных данных .141
3.5. Моделирование процесса движения аэрозоля в барабане
3.5.1. Обоснование области расчета барабана 144
3.5.2. Численная реализация математической модели движения аэрозоля в барабане 146 Выводы по главе 150
ГЛАВА 4. Моделирование процесса обработки семенного материала в устройствах барабанного типа и методики определения качества работы .153
4.1. Математическая модель технологического процесса работы
барабанного устройства при обработке семян аэрозолем .154
4.1.1. Обоснование области расчета, начальных и граничных условий математической модели технологического процесса работы барабанного устройства при обработке семян .154
4.1.2. Математическая модель технологического процесса работы барабанного устройства при обработке семян .158
4.1.3. Методика реализации математической модели процесса обработки семян 1 4.2. Моделирование процесса обработки аэрозолем семенного материала в барабане 174
4.3. Экспериментальная оценка обработки семенного материала аэрозолем 1 4.3.1. Методика экспериментального определения качества и равномерности обработки аэрозолем семенного материала .180
4.3.2. Экспериментальное определение качества и равномер-ности обработки аэрозолем семенного материала в дисковом протравливателе .183
4.3.3. Методика и лабораторные установки для исследований процесса образования аэрозоля и обработки в барабанных устройствах .187
4.4. Экспериментальная оценка качества выполнения технологического процесса обработки семян в барабане и обоснование параметров
рабочих органов 191
Выводы по главе 194
ГЛАВА 5. Технологии и технологические линии с комплексом машин для предпосевной обработки семенного материала 196
5.1. Обоснование экологически безопасных технологий предпосевной обработки семенного материала .196
5.2. Рекомендуемые технологии и технические устройства для предпосевной обработки химическими средствами клубней картофеля 201
5.3. Перспективные направления совершенствования технологий и комплекса технических средств для протравливания семян сельскохозяйственных культур 203
5.4. Обоснование комплексной технологии и технических средств для обеззараживания и инкрустации семян .219
5.4.1. Обоснование технологии для обеззараживания и инкрустации семян 219
5.4.2. Обеззараживание семенного материала ионизирующей и СВЧ установками 224
5.4.3. Барабанный инкрустатор семян и влияние инкрустации на урожайность 229
5.5. Показатели качества обработки рекомендуемыми техническими средствами .235
Выводы по главе 241
ГЛАВА 6. Рекомендации производству и технико-экономическая эффективность .243
6.1. Характеристики разработанных машин .243
6.2. Рекомендации производству по обеззараживанию семенного материала и покрытию семян стартовой дозой микроэлементов, стимуляторов роста и биопрепаратов 244
6.3. Технико-экономическая эффективность разработанных технологических процессов и технических средств для предпосевной подготовки 247
Основные выводы 263
Список литературы 268
- Классификация и сравнительный анализ технических средств предпосевной обработки
- Физические аспекты образования капель аэрозоля различными типами распылителей в камере образования и транспортирования
- Моделирование потока воздуха, создаваемого вентилятором технического средства для предпосевной обработки
- Математическая модель технологического процесса работы барабанного устройства при обработке семян
Классификация и сравнительный анализ технических средств предпосевной обработки
Распылители при этом подразделяют на механические, центробежные, пневматические [88] и классифицируют по способу подвода жидкости на распылительные устройства (погружные или с подачей жидкости на рабочий орган), и по конструкции рабочего органа (дисковые, звездочные, чашечные, сопловые, конусные, реактивные). К достоинствам механического способа распыливания жидкостей относится распыливание при небольших расходах загрязненных и высоковязких суспензий (жидкостей) на отдельные капли одинакового регулируемого размера [93, 279].
Распыливание жидкостей при пневматическом способе осуществляется за счет подвода энергии к рабочей жидкости при динамическом взаимодействии с высокоскоростным газовым потоком. За счет этого жидкость на первом этапе распадается на пленку, затем на отдельные нити, которые распадаются на отдельные капли. При пневматическом способе применяются пневматические форсунки, которые классифицируются по пяти признакам [59]: по характеру движения потоков перед распыливанием (вихревые и прямоструйные); по перепадам давления (пневмогидравлические, высокого или низкого давления); по направлению движения газа и жидкости (однонаправленное, встречное, перекрестное); по месту контакта распыливающего газа и распыливаемой жидкости (внутреннего или внешнего смешения); по распределению массы распыливающего газа и распыливаемой жидкости (одноструйные, многоструйные). К достоинствам этого способа относятся относительно высокое качество распыла высоковязких жидкостей, а недостатками являются высокие затраты энергетических мощностей на распыл [203], а также необходимость в сложном и дорогом оборудовании [95].
При электростатическом способе распыла рабочая жидкость подается в зону электростатического разряда, где она в виде пленки распадается на отдельные капли. Форсунки с искусственной электризацией распыла жидкости разделяются на три группы: для нанесения различных покрытий, для распыливания жидкостей и порошков. Недостатками этого способа являются необходимость в дорогостоящем и сложном оборудовании, его малая производительность и довольно высокая энергоемкость [58].
Распыливание жидкостей акустическим способом по ряду признаков схоже с пневматическим распыливанием; жидкость также получает энергию за счет направленного действия высокоскоростного потока газа, однако при данном способе потоку газа сообщаются колебания различной ультразвуковой частоты. Это обеспечивает тонкое и однородное (монодиспесное) дробление жидкости на отдельные капли. Акустические форсунки подразделяются по типу акустических колебаний, генерируемых специальным устройством и классифицируются по пяти группам форсунок и видам генератора: со статическим; с вихревым; с динамическим и т.д. Акустический способ распыла считается более малозатратным, чем пневматический способ, но при этом основным недостатком является сложность конструкции даннах типов форсунок.
Ультразвуковой способ распыла жидкости позволяет распылять ее на довольно мелкодисперсные капли. Распыл осуществляется при подаче жидкости на элемент магнитострикционного или пьезоэлектрического генератора, находящийся в режиме колебаний с ультразвуковой частотой. Технические устройства, осуществляющие распыл жидкости на капли при ультразвуковом способе небольшие по производительности (0,5 – 6 кг/ч), кроме того, конструкция их сложна в изготовлении и является дорогостоящей.
Те же недостатки отмечаются при пульсационном способе распыла. На поток жидкости действуют пульсирующие потоки давления, увеличивающие энергию жидкостной пленки, и как следствие, распылу на мелкие капли. Данный способ применяется в сочетании с различными способами: с механическим, гидравлическим, а также пневматическим. Способ распыла жидкости с предварительным газонасыщением осуществляется путем получения энергии за счет насыщения ее потоком газа, что и приводит к ее распаду на отдельные капли.
Потоку жидкости при электрогидравлическом способе распыливания передается дополнительно энергия при высоковольтном электрическом разряде внутри распылителя жидкости, что и приводит к раздроблению жидкости на отдельные капли. Способы распыливания с предварительным газонасыщением и электрогидравлический в настоящее время малоизученны и находятся на стадии лабораторного исследования и применения [58, 95].
К сожалению, как видно из классификации, данные распылители, за исключением механических, не способны создавать монодисперсные системы из вязких рабочих растворов. Известны лишь отдельные устройства, позволяющие создавать капли приблизительно одинакового размера в пределах 5…50 мкм – капилляры, капельницы, вращающиеся перфорированные барабаны [93]. К сожалению, их применение в конструкции технических устройств для предпосевной обработки крайне затруднительно вследствие малой производительности, невозможности работы с высоковязкими жидкостями. Таким образом, создаваемые технические устройства для предпосевной обработки должны удовлетворять выдвигаемым агротехническим условиям и требованиям к распылителям. Для этого необходимо провести анализ технических средств для предпосевной подготовки и заложить в их конструкции условия образования монодисперсных аэрозолей для равномерного и качественного покрытия семенного материала.
Физические аспекты образования капель аэрозоля различными типами распылителей в камере образования и транспортирования
Для обеспечения возможности моделирования движения дисперсных смесей при предпосевной обработке семенного материала принимаются допущения, которые позволяют описывать процесс математическими формулами, при котором суть процесса сохраняется. Рассмотрим основные допущения, которые используются при моделировании двухфазной среды [51, 256] применительно к распылительным устройствам технических средств для предпосевной обработки: 1. Размеры капель аэрозоля в смеси во много раз превосходят молекулярно–кинетические размеры. Данное допущение полностью соответствует распылительной системе технических средств для предпосевной обработки и позволяет использовать уравнения механики сплошной среды для описания процессов образования, транспортирования и обработки аэрозолем семенного материала. 2. Размеры капель значительно меньше расстояний, на которых макроскопические параметры фаз меняются. Сравнение размеров капель и камеры обработки технического средства показывает полное соответствие данного допущения к рассматриваемому случаю. 3. Смесь монодисперсная. Данное условие выполняется путем дробления капель аэрозоля на одинаковые по диаметру «вторичные» капли о рассекатель. 4. Капли имеют шаровидную форму. Данное условие выполняется. Капли принимают сферическую форму под действием сил поверхностного натяжения. 5. Объемная концентрация дисперсной фазы достаточно мала. Объемная концентрация капель в воздушном потоке в рассмотренных технических средствах колеблется в пределах 1,10 10-13 к 3,18 10-7 . В соответствии с рисунком 2.1 характер течения воздушного потока носит переходной характер с «низкозапыленного» при низкой концентрации жидких частиц ( 10-9) до «слабозапыленного» при незначительной объемной концентрации капель ( 10-6). Воздействие капель на воздушный поток при этом отсутствует. 6. Объемом частиц пренебрегается. Малая объемная концентрация капель в аэрозоле (1,10 10-13 к 3,18 10-7) исключает взаимодействие между частицами. 101 7. Плотность газа намного меньше плотности вещества частицы. В данном случае плотность воздуха равна g = 1,225 кг/м3, а плотность жидкости ж = 998,23 кг/м3. 8. Дисперсная фаза считается недеформируемой. Данное условие определяется силой гидродинамического сопротивления капель и числами Рейнольдса, Вебера, Маха. Для деформации капли необходимо: Re 700, We 12, Мр 0,3 [51].
При предпосевной обработке семенного материала, в отличие от твердых частиц, капли аэрозоля при движении в воздушном потоке могут деформироваться, изменять форму и дробиться на меньшие по размеру под воздействием воздушного напора, вследствии разницы скоростей движения капли аэрозоля и потока воздуха. При высокой разнице может произойти разбивание капель на «вторичные». Одним из основных критериев, определяющих режим дробления, является критерий Вебера (рисунок 2.19).
Он характеризует отношение сил давления, которые стремятся сплющить каплю, к силам поверхностного натяжения, стремящимся придать капле сферическую форму
Используя данные таблицы 2.7 и формулу 2.68 определим число Вебера для различных видов распылителей в камерах образования и транспортирования капель аэрозоля: - центробежные форсунки We = 15… 48 10"3 - механические (дисковые) распылители We = 9…75 10"3 - пневматические распылители We = 8…50 10-3 Таким образом, число Вебера для распылительных систем в камере образования и транспортирования капель аэрозоля меняется в пределах от 0,008 до 0,08. Кроме числа Вебера критерием дробления капли в воздушном потоке является число Рейнольдса. При Р 10 капля начинает деформироваться, но для расчетов в качестве характерной площади учитывается площадь миделевого сечения капли в недеформированном состоянии, при Р 700 при расчете площади поперечного сечения деформация капли учитывается.
При высокоскоростном обтекании частицы воздушным потоком на деформацию, кроме числа Вебера и числа Рейнольдса, учитывают число Маха в относительном движении частицы, которое характеризует сжимаемость частицы
Моделирование потока воздуха, создаваемого вентилятором технического средства для предпосевной обработки
Уравнение (4.32) описывает движение семени в состоянии 1-2, когда частица движется по поверхности барабана со скольжением, но без отрыва. При отрыве семени от поверхности барабана (отсутствие реакции опоры), выполнением условия отрыва семени является
Система уравнений (4.36) позволяет определить положение семени в момент отрыва от внутренней поверхности барабанного устройства, при этом a 3t2 - угол поворота кривошипа; a6t2 -at2 - угол поворота семени касательно поверхности барабана. Относительная скорость семени в момент времени t2 касательно точки О2 (центра барабана) определяется выражением {co6-co)R6. Переносная скорость от вращения кривошипа определяется выражением a 3R3.
Абсолютная скорость семени в момент отрыва определяется суммой векторов {co6-co)R6 и Х (рисунок 4.5)
Таким образом, в момент времени начала свободного полета семени (t = t2) возможно определить абсолютную скорость семени V3 (из уравнения 4.38), а также направление вектора абсолютной скорости (угол наклона касательной к траектории полета семени а над горизонтом, из уравнения (4.40)), кроме того, определить положение кривошипа (угол a 3t2) и положение семени касательно поверхности барабана (угол co6t2 -cot2).
Рассмотрим цикл свободного движения частицы внутри вращающегося барабана. Принимаем систему координат с началом в точке 02. Ось 02х направим горизонтально; ось 02у вертикально (рисунок 4.6). у -RэcosfeO-/ cos(fl бf2 -cot2)+V3(t2)sma Система уравнений (4.44) описывает движение семени во время свободного полета, т.е. определяет положение семени (координаты x и y ) в зависимости от времени t .
Поверхность барабана в поперечном сечении проецируется в окружность, описываемую следующим уравнением
Выражение (4.46) представляет собой уравнение окружности, радиусом поверхности барабана, центр которой, при этом перемещается по окружности с радиусом Rэ (величина эксцентриситета) в зависимости от времени t. Взаимное решение уравнения (4.46) и системы уравнений (4.44) дает координаты точки 3 (х3,у3) в момент времени t3, когда точка положения семени М лежит на окружности барабана, т.е. семя пересекается с поверхностью барабана
Полученная математическая модель технологического процесса предпосевной обработки семян барабанным техническим средством с нестационарным режимом движения представляет собой ряд уравнений в неявном виде, позволяющее определить: - момент времени tx, когда начинается проскальзывание семени касательно поверхности барабана; - момент времени t2 отрыва семени от поверхности барабана и скорость проскальзывания семени касательно поверхности барабана; - время t3, соответствующее попаданию семени на поверхность барабана.
Это позволяет рассчитать время свободного полета семени при полном контакте его с аэрозольным потоком. Обоснование конструктивных параметров технического средства с эксцентрично закрепленным барабаном направлено на увеличение продолжительности этого времени, что соответственно позволит повысить качество обработки семенногоматериала и уменьшить конструктивные размеры барабанного технического средства [20, 21, 291, 297, 302, 303]. Выведенные уравнения (4.21) и системы уравнений (4.36) и (4.47) позволяют определить требуемые для исследования время tj начала проскальзывания семени касательно поверхности барабана, время t2 положения семени в момент отрыва касательно поверхности барабана, угловую скорость со проскальзывания семян касательно поверхности барабана и время t3 положения семени в момент пересечения с поверхностью барабана. Все определяемые параметры являются взаимозависимыми, так tj, определяемое из уравнения (4.21), входит в систему уравнений (4.36) и позволяет определить t2 и со; t2 и со входят в систему уравнений (4.47) и позволяют определить t3; разность t3 и t2 дает в свою очередь At. At = t32 - время
Обоснование конструктивных и технологических параметров барабанного технического средства предпосевной подготовки должно быть направлено на увеличение времени обработки, когда семенной материал находится в свободном объеме камеры обработки, что позволяет более полно использовать объем барабана. Если первое условие представляет собой увеличение разброса времени At = t32, то второе условие должно характеризоваться разбросанностью At. В дальнейшем, в качестве параметров оптимизации принимаем следующие параметры [22]:
1. Суммарно накопленное время полета семян At, в течение некоторого времени. Чем выше значение At, тем больше количество времени семена находятся в свободном полете (рисунок 4.7).
2. Интервал разбросанности (схода) AT значений At в течение некоторого времени. Чем выше значение AT, тем больше используется полезный рабочий объем камеры барабанного технического средства.
Приведенные уравнения (4.21) и системы уравнений (4.36) и (4.47) позволяют определить требуемые для исследования величины время ti начала проскальзывания частицы касательно поверхности барабана, время t2 положения частицы в момент отрыва касательно поверхности барабана, угловую со скорость проскальзывания частицы касательно поверхности барабана и время t3 положения частицы в момент пересечения с поверхностью барабана [302].
Математическая модель технологического процесса работы барабанного устройства при обработке семян
Разработаны математические модели процессов образования аэрозоля техническими средствами предпосевной обработки и обоснованы их основные конструктивно-технологические параметры: для построения модели взаимодействия капли с воздушным потоком определены силы гидродинамического сопротивления, возникающие при разности скоростей воздушного потока и частицы, а также числа Рейнольдса, Вебера и Маха, влияющие на степень деформации и дробления капель. В рабочем диапазоне скоростей воздушного потока 20…75 м/с коэффициент сопротивления частиц CD = 0,5…4,3. При числе Рейнольдса от 10 до 170, критериях Вебера We = 0,003…0,04 и Маха Мр = 6…24 10-3 отсутствуют условия для деформации и дробления капель; определены средние диаметры капель аэрозоля, образованных гидравлическими (90…160 мкм), механическими (90…300 мкм) и пневматическими (80…230 мкм) типами распылителей. Установлено, что для достижения размера капли, отвечающего требованиям мелкодисперсного аэрозоля необходимо вторичное дробление капель о рассекатель. При ударе о рассекатель «первичной» капли диаметром 100…400 мкм и скорости удара 10 м/с диаметр «вторичной» капли составляет 8,7…34,9 мкм, что соответствует требованиям мелкодисперсного аэрозоля. Скорость капель после удара в зависимости от вида распылителя составляет 10…42 м/с, коэффициент восстановления нормальной скорости капли кn = 0,68…0,71, что свидетельствует о неупругом столкновении капли со стенкой.
Разработана математическая модель процесса работы технических средств предпосевной обработки семян зерновых культур барабанного типа, которая позволила обосновать основные конструктивно-технологические параметры устройств и технологические параметры аэрозолей. Установлено, что равномерность скорости воздушного потока на выходе из нагнетательного канала повышается при использовании вентилятора с 8 радиальными, направленными вперед лопатками.
Результаты моделирования в программном комплексе FlowVision показали, что качественный по составу аэрозоль образуется при использовании рассекателя в виде воронки с установленным внутри конусом. При этом происходит образование «вторичных» капель со средним диаметром 14…21 мкм из «первичных» размером 100…250 мкм, аэрозоль становится монодисперсным. Рекомендуется использовать пневмораспылительную насадку длиной 0,35…0,55 м при диаметре центральной части 0,06…0,11 м; рекомендуемые скорости воздушного потока – 10…15 м/с.
Для определения степени монодисперсности «вторичных» капель проведена аппроксимация экспериментальных данных в статистической системе STADIA. Определено, что частоты распределения размеров «вторичных» капель менее 50 мкм образуются при классе размеров «первичных» капель 200…300 мкм при скоростях 10…20 м/с. Определены скоростные режимы аэрозольного облака (средняя скорость по длине барабана 3,1…5,9 м/с) и геометрические характеристики барабана: длина – 0,5…2,5 м, диаметр – 0,25…1,25 м.
Разработана математическая модель рабочего процесса обработки семян барабанным устройством. Получены уравнения, позволяющие определить моменты времени: начала проскальзывания семени от поверхности барабана; отрыва семени и время попадания семени на поверхность барабана. Предложено численное решение полученных уравнений для определения оптимального значения радиуса кривошипа барабана, при котором семена в нестационарном режиме работы производят максимальный по времени полет. Для обеспечения производительности 4 т/ч протравливатель должен иметь диаметр барабана 0,5 м, длину 1,5 м, угол наклона – 6…10. Оптимальное значение радиуса эксцентриситета Моделирование процесса обработки семян каплями аэрозоля в барабане показало, что на входе в барабан средняя скорость аэрозоля составляет 3,7 м/с, после прохождения потока семян, падающего сверху со стенки барабана, скорость увеличивается на 0,2 м/с. Увеличение скорости происходит вследствие разделения воздушных потоков на струи с разным скоростным режимом и турбулизацией потока. По качественным характеристикам установлено рекомендуемое соотношение длины барабана к его диаметру – (2,5…3):1 для обеспечения производительности 1,5…10 т/ч.
Разработаны технологические приемы предпосевной обработки семян зерновых культур, включающие: - протравливание химическими или биологическими препаратами, - инкрустацию биологическими препаратами с предварительным обеззараживанием семян токами СВЧ, - инкрустацию с предварительной обработкой химическими препаратами, - инкрустацию с добавлением микроэлементов и стимуляторов роста с предварительной обработкой химическими или биологическими препаратами; а также клубней картофеля химическими препаратами в составе стационарных технологических линий. Для реализации этих технологических приемов разработаны технические средства: для протравливания семян зерновых культур – протравливатели семян ПСБ-1,5, ПСБ-4, ПСБ-10; для протравливания клубней картофеля химическими средствами – дисковый протравливатель ПКД-20; для обеззараживания семян токами СВЧ с последующей инкрустацией семян биопрепаратами, стимуляторами роста и микроэлементами – инкрустатор БИС-4. Разработанные технологические приемы и технические средства в составе технологических линий внедрены в хозяйствах Республики Башкортостан, Карачаево-Черкесской Республики, Тульской и Ульяновской областей.
