Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и постановка задач исследований 10
1.1 Анализ существующих технологических средств и способов опрыскивания растений . 10
1.2 Использование листовой подкормки для сельскохозяйственных культур . 15
1.3 Метод электризации аэрозоля . 18
1.4 Насыщение рабочего раствора воздухом 22
1.5 Обзор технических средств, обеспечивающих электрозарядку аэрозоля 28
1.6 Выводы по главе и задачи исследований . 34
2 Теоретическое обоснование параметров процесса получения жидкостно-воздушной смеси и электрически заряженого аэрозоля . 36
2.1 Основные направления и методы повышения качества опрыскивания 36
2.2 Устройство и особенности работы водовоздушного эжектора.. 39
2.3 Расчет основных геометрических параметров и характеристики водовоздушного эжектора . 44
2.4 Определение параметров процесса электризации аэрозоля... 54
2.5 Электрические свойства растворов комплексных удобрений... 59
2.6 Теоретическая оценка осаждения электроаэрозоля 62
2.7 Выводы 67
3 Программа и методика экспериментальных исследований 69
3.1 Цели и методы экспериментальных исследований 69
3.2 Экспериментальная модель эжекторного устройства. Факторы, влияющие на смесеобразование 70
3.3 Экспериментальные схемы высоковольтного оборудования. Определение геометрических параметров электродной системы 74
3.4 Методика постановки полевых опытов 81
3.5 Планирование многофакторного эксперимента 84
4 Результаты экспериментальных исследований 92
4.1 Определение основных показателей рабочего процесса эжекторного оборудования 92
4.2 Показатели качества распыла рабочего раствора при работе опрыскивателя с эжекторным оборудованием 95
4.3 Результаты приемочных испытаний эжекторного оборудования для полевого опрыскивателя 107
4.4 Лабораторные опыты с оборудованием для электризации аэрозоля 113
4.5 Полевые экспериментальные исследования электростатического способа листовой подкормки 122
4.6 Выводы 133
5 Экономическая эффективность 135
5.1 Методика расчета технико-экономических показателей . 135
5.2 Расчет капиталовложений на переоборудование серийного опрыскивателя 138
5.3 Экономические характеристики внедрения усовершенствованной технологии опрыскивания . 141
5.4 Расчет показателей экономической эффективности технологии . 145
Общие выводы 151
Список литературы
- Обзор технических средств, обеспечивающих электрозарядку аэрозоля
- Расчет основных геометрических параметров и характеристики водовоздушного эжектора
- Экспериментальные схемы высоковольтного оборудования. Определение геометрических параметров электродной системы
- Результаты приемочных испытаний эжекторного оборудования для полевого опрыскивателя
Обзор технических средств, обеспечивающих электрозарядку аэрозоля
Недостаточное количество вносимых удобрений под основную обработку почвы, а в большинстве случаев и полное их отсутствие, выдвигают на первый план в увеличении урожайности и повышении качества основных видов сельскохозяйственных культур, возделываемых в южном регионе России, внекорневую (листовую) подкормку растворами удобрений. Листовая подкормка возделываемых сельскохозяйственных культур за последние годы широкое распространение в мировой агрономической практике [81]. Главное её преимущество – быстрая доставка питательных элементов в ионной форме в критические периоды развития растений путём всасывания их через листья из растворимых в воде удобрений.
Одним из наиболее популярных ЖКУ для листовой подкормки являются препараты марки «Аквадон-Микро», содержащими физиологически сбалансированные полимерно-хелатные комплексы с широким диапазоном состава по микроэлементам. Ценным свойством этих удобрений является то, что капли их длительное время не высыхают, это создает благоприятные условия для заделки их в почву на небольшую глубину и для поглощения удобрений при внекорневой подкормке растений зерновых культур. Препарат представляет собой водно-полимерный высокомолекулярный комплекс длинных углеводородных цепочек с закрепленными на них микроэлементами. Хелатная форма обеспечивает защиту микроэлементов от негативного воздействия влаги, кислорода, воздуха и солнечного излучения, одновременно сохраняя их доступность для растений в неизменной форме.
При исследовании эффективности данных препаратов на опытных полях ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии в 2009-2010 гг., биологическая продуктивность озимой пшеницы при внекорневой подкормке составила 66 ц/га (прибавка урожая 37%) при предшественнике – пар и 49 ц/га (прибавка урожая 79%) при предшественнике – подсолнечник [78].
Применение инновационных микроэлементных удобрений, таких как «Аквадон-Микро» позволяет получить стабильную урожайность, улучшить качество и снизить себестоимость товарной продукции, повысить эффективность производства.
Высокая эффективность листовой подкормки достигается путем увеличения охвата поверхности листьев растений каплями распыляемых удобрений, повышения степени осаждения питательных веществ на листьях и других частях растений, улучшения проникновения удобрений в подкармливаемые культуры.
Современное состояние решаемой проблемы по совершенствованию технологий и машинно-агрегатных средств для внесения в листовую подкормку жидких полифидов и микроэлементных удобрений базируется на использовании опыта, накопленного при опрыскивании сельскохозяйственных культур средствами защиты растений [21].
Известен способ листовой подкормки путем опрыскивания сельскохозяйственных культур растворенными в воде микроэлементными удобрениями посредством всасывания через лист и другие надземные части растения питательных веществ микроэлементных удобрений в ионной форме [78]. Раствор микроэлементных удобрений в опрыскивателях под давлением подается в гидравлические распылители, дробящие его на капли и выбрасывающие на обрабатываемые культуры.
Недостатком этого способа является большая полидисперсность капель факела распыла раствора микроэлементных удобрений. Эффективность применяемых микроэлементных удобрений снижается, а их расход увеличивается.
Более прогрессивным является способ опрыскивания сельскохозяйственных культур жидкостно-воздушными каплями, образующимися при распылении приготовленной в опрыскивателе жидкостно-воздушной смеси через щелевые распылители [73]. При опрыскивании растений воздушно-капельными тур 17 булентными струями одновременно протекают несколько различных по своей физической природе процессов. Главные из этих процессов: распространение свободной воздушной турбулентной струи, направленной на растение, проникновение и распределение частиц вещества внутри растения, осаждение частиц на листьях.
Повышение эффективности вносимых жидких удобрений достигается увеличением густоты (плотности) покрытия поверхности сельскохозяйственных растений каплями осаждающимися при распылении рабочей жидкости и снижением полидисперсности диспергируемых капель. Эти показатели характеризуют техническую, экономическую и экологическую эффективность технологического процесса внесения жидких пестицидов и удобрений. Плотность возрастает, а полидисперсность капель, покрывающих обрабатываемые растения снижается при более полном насыщении жидкостно-воздушной смеси растворов удобрений и пестицидов воздухом, чем у инжекторных распылителей. Этот результат достигается тем, что вначале готовится на значительном расстоянии от распылителей опрыскивателя смесь воздуха с рабочим раствором удобрений, которая затем подается к гидравлическим распылителям снижая полидисперсность частиц в факеле распыла жидкостно-воздушной смеси, исключая из опрыскивателя сложные форсунки используя вместо них простые гидравлические распылители. Однако, недостатком этого способа является слабая прилипае-мость жидкостно-воздушных капель с питательными веществами удобрений на листе, его тыльной стороне и на стебле.
В настоящее время существует способ опрыскивания сельскохозяйственных культур растворами пестицидов, распыляемых электростатическим опрыскивателем с начальным дроблением струи раствора потоком воздуха и последующим зарядом капель в коронирующем электрическом поле [87]. К недостаткам использования этого способа можно отнести высокое удельное сопротивление водных растворов пестицидов, что обуславливает необходимость высокого статического напряжения и увеличение времени для зарядки распыляемых капель. Метод электризации капель препарата при обработке растений, то есть опрыскивание или опыливание растений заряженными частицами удобрений, завоевывает все большую популярность в разных странах. У этого метода большие преимущества: малый расход препаратов, способность заряженных частиц прочно оседать на растениях, уменьшение загрязнения окружающей среды. При обработке растений заряженными частицами обеспечивается осаждение препарата не только на верхней стороне листьев, но и снизу, внутри между листьями и стеблями, что достигается благодаря регулировке скорости струи аэрозоля и (с помощью выносных электродов) ее направления.
Традиционные способы обработки сельскохозяйственных культур с помощью гидравлических или роторных опрыскивателей, несмотря на различные их конструктивные особенности, страдают одним общим недостатком: более половины (иногда до 70%) вещества теряется (уносится ветром, испаряется в процессе движения, стекает с растений в почву) [88]. При использовании штанговых опрыскивателей отечественного производства потери препаратов из-за сноса их ветром за пределы обрабатываемых участков составляют около 30%.
Это связано не с конструкцией опрыскивателей, а с физическими особенностями осаждения препаратов на растениях. На поверхность листьев и стеблей пестицид необходимо нанести равномерно, тонким слоем. Он должен хорошо удерживаться в течение определенного времени.
Расчет основных геометрических параметров и характеристики водовоздушного эжектора
Расчет основных геометрических параметров и рабочей характеристики воздушного эжектора проводился из условия использования его в качестве дополнительного оборудования для полевого опрыскивателя ОП-2000/18, учитывая возможности его совместной работы с трактором МТЗ-80. Данная модель опрыскивателя оборудована регулятором давления рабочей жидкости, позволяющим направлять ее поток из нагнетательной магистрали насоса к 4 независимым секциям штанги, каждая из которых включает по 9 форсунок щелевого типа. В связи с этим целесообразно использовать отдельный воздушный эжектор на каждую из 4 секций опрыскивателя, расположив их после регулятора-распределителя (рисунок 2.5). Руководствуясь нормами расхода для большинства биохимических препаратов, которые укладываются в пределы от 50 до 250 л/га, определяем, что пропускная способность каждой из секций эжектора, при условии движения трактора на IV-VI транспортных передачах со скоростью 8,912,3 км/ч, должна составлять не менее 202 л/ч. Учитывая производительность компрессора пневмосистемы трактора МТЗ-80 на номинальных оборотах двигателя, давлении 5 кгс/см2 и температуре окружающего воздуха 15 С, допустимый массовый расход воздуха каждой из секций эжектора может составлять до 2,5 кг/ч. Таким образом, исходными данными для расчета водовоздуш-ного эжектора будут являться: давление инжектируемого воздуха рн = 0,5 МПа; расход инжектируемого воздуха GH = 2 кг/ч; температура инжектируемого воздуха tH = 15С; давление рабочего раствора перед соплом рр = 0,3 МПа; температура рабочего раствора tp = 15С; сжатая жидкостно-воздушная смесь распылятся под давлением рс = 0,4 МПа. Заметим, что при этом давления рабочего раствора рр и жидкостно-воздушной смеси на выходе рс являются ориентировочными, исходя из соблюдения нормы расхода раствора через форсунки и обеспечения запуска процесса смесеобразования. – гидравлический насос; 2 – фильтр грубой очистки; 3 – фильтр тонкой очистки; 4 – регулятор-распределитель; 5 – воздушный эжектор; 6 – ресивер; 7 – манометр; 8 – вентиль; 9 – секции штанги с форсунками.
Теперь рассмотрим эффективность работы эжектора в различных переходных режимах, которые будут неизбежно возникать в процессе его работы в виду изменения давления в пневмосистеме и температуры окружающего воздуха. Для этого определим расход инжектируемого воздуха при других давлениях нагнетания. В частности, пример расчета приведем для случая рн = 0,45 МПа.
Аналогично рассчитываем значения при других давлениях нагнетания в диапазоне от 0,42 до 0,55 МПа, как наиболее характерного. Затем повторим расчеты для tH = 5 и 25С. Поскольку значения Ар и Ар остаются теми же, при различных температурах инжектируемой среды, то значения объемного коэффи циента инжекции основного геометрического параметра
По результатам расчета видно, что с увеличением давления нагнетаемого воздуха растет объемный коэффициент инжекции, причем за счет не только увеличения объемов сухого воздуха, но и снижения объема рабочей среды одновременно. Этот факт обеспечит сокращение расходов действующего вещест 54 ва при проведении опрыскивания. Отметим также, что с ростом температуры окружающей среды характеристика рн = f(GH) изменяется незначительно, сохраняя значения массового расхода воздуха в допустимых пределах.
Как известно, для грубо дисперсного аэрозоля микрораспределение частиц по поверхности растений и других неровностей подстилающих поверхность земли обуславливается оседанием частиц под действием силы тяжести и осаждением под действием инерционных сил. В результате частицы оседают преимущественно на верхнюю сторону листьев и на подветренные части кроны и листьев; при этом неравномерность отложений может быть большой. Во многих случаях такое распределение отложений оказывается крайне невыгодным и вызывает необходимость больших перерасходов рабочего вещества.
Эффективный способ повышения равномерности отложений аэрозоля состоит в сообщении частицам электрических зарядов и в проведении процесса осаждения в электрическом поле, т.е. в применении методов электронно-ионной технологии, основанных на использовании силового взаимодействия электрических полей и зарядов, переносимых частицами.
Для электростатического распыливания параметры, определяющие амплитуду разрушения пленки жидкости, с учетом интенсивности электростатического поля выражаются зависимостью [92]:
Как видно из уравнения (2.22), амплитуда разрушения жидкостной пленки зависит от интенсивности и частоты электростатического поля, от поверхностного натяжения и плотности жидкости.
В работе получены соотношения, определяющие взаимодействие заряженных капель с потоком воздуха и зависимость степени дисперсности распыленной жидкости от их электризации.
Избыточное давление внутри заряженной капли (в Па) при известных потенциале капли U, заряде капли q или напряженности электрического поля Е определяется по соответствующим уравнениям:
Анализ уравнений (2.23) и (2.24) показывает, что при получении каплей электрического заряда внутреннее давление, а соответственно и поверхностное натяжение ее уменьшаются прямо пропорционально квадрату этих величин.
В качестве примера рассмотрим работу Салимова А.У. «Вопросы теории электростатического распыливания». В ней описывается случай, когда распы-ливаемые частицы жидкости диаметром 20 мкм получают заряд потенциалом 300 В. При отсутствии заряда частицы таких размеров разрушались бы при скоростном напоре, равномРсо2от/2 2сг/г = 145 500 Па ( 0,14 МПа).
Если радиус капли воды г = 2-10-5 м, поверхностное натяжение а составляет 0,073 Н/м, подводимый потенциал U = 300В, диэлектрическая постоянная р=81 и постоянная электрического поля для воздуха Б0 =8,854 10-12 А-с/В-м, то поверхностное натяжение, согласно уравнению (2.24), понижается до o-q=0,01526. Соответственно аэродинамические силы, необходимые для разрушения такой заряженной капли, согласно уравнению (2.25), также уменьшаются дор0о2т/2 = 3075 Па, т. е. более чем в четыре раза. Предельная скорость, с которой капля способна двигаться в воздухе не разрушаясь определяется по формуле апред= а/(2рг) (2.26)
Радиус распыливаемых капель (в м) в зависимости от потенциала, который подводится к электродам распылителя, при известном U, q или Е определяют по соответствующим уравнениям:
Экспериментальные схемы высоковольтного оборудования. Определение геометрических параметров электродной системы
Первоначальные исследования основных показателей рабочего процесса и снятие характеристик водовоздушного эжекторного оборудования для полевого опрыскивателя проводились в лабораторных условия на полигоне ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии. Предварительно штатная система опрыскивателя настраивалась на расход жидкости соответствующий норме внесения рабочего раствора 200л/га. Далее в работу вводился эжекторный смеситель, обеспечивающий подачу струи воздуха в нагнетательную магистраль. Изменяя давления воздуха и жидкости в системе, а также проходное сечения воздушного инъеткора, добивались равномерного и стабильного факела распыла во всех форсунка испытываемой секции и измеряли расход жидкости и воздуха на разных режимах. Во время проведения опытов температура жидкости находилась на уровне 19С, температура окружающего воздуха 22С при относительной влажности 45% и скорости ветра не более 4 м/с. Результаты полученные в ходе данных опытов приведены в таблице 4.1.
Как видно из приведенных данных, подача воздуха в нагнетательную магистраль опрыскивателя позволила снизить расход жидкости на 28-32%.
В процессе работы эжекторного оборудования отмечалось падение давления в пневмосистеме трактора с 0,55МПа при запуске до 0,4МПа при постоянной работе, что говорит о стабильном расходе воздуха. Расход воздуха определялся по разности расхода рабочей жидкости и жидкостно-воздушной смеси, и составил 25 л/мин при использовании инъектора с проходным сечением 2мм. При установке инъектора с проходным сечением 2,5мм наблюдалась бильность смесеобразования из-за недостаточной производительности пневм-носистемы трактора.
Изменяя давлении жидкости и ее расход было установлено, что оптимальное рабочее давление находится в диапазоне от 0,2 до 0,35МПа. Превышение этого давления приводило к появлению сильных пульсаций факелов распыла форсунок вследствие недостатка нагнетаемого воздуха, а при занижении давления, прорывающийся воздух делал факел распыла тумнообразным без четкой пространственной направленности.
Дробление распыляемой рабочей жидкости и увеличение турбулентности осаждаемых капель в факеле распыла жидкостно-воздушной смеси оценивалось по изменению скорости выхода капель жидкости из распылителя. Процесс измерения скорости турбулентного осаждения капель факела распыла показан на рисунке 4.1. Чашечный анемометр 2 последовательно помещался в факел распыла на расстоянии 0,5м от форсунки 3 жидкости и жидкостно-воздушной смеси, создаваемого распылителем 1. Данные измерений приведены в таблице 4.2.
Уменьшение средней скорости осаждения капель жидкостно-воздушной смеси объясняется их мелкодисперсностью и ведет к необходимости уменьшения расстояния от штанги опрыскивателя над обрабатываемыми растениями либо к использованию более эффективного способа осаждения под действием электростатических сил притяжения для получения необходимого качества покрытия. – распылитель; 2 – анемометр чашечный; 3 – факел распыла жидкости Рисунок 4.1 – Измерение скорости истечения распыляемой жидкости
Давление, МПа Скорость осаждения, м/с Среднеквадратическое отклонение скорости, % воздуха воды жидкости жидкостно-воздушной смеси жидкости жидкостно-воздушной смеси
Сбор и отборка распыляемых капель производилась по методике испытаний опрыскивателей [22] и программе МРП-024 проведения спектрально-корреляционного анализа, разработанной во ВНИПТИМЭСХ.
Применительно к спектрально-корреляционному анализу монодисперсности и плотности покрытия распыляемыми каплями раствора «Аквадон-Микро» учетных карточек в компьютерной программе МРП-024 использовался размерный массив и количество улавливаемых капель раствора и распыляемой жидко-стно-воздушной смеси удобрений. Вычислялись оценки математического ожидания, корреляционной функции, дисперсии и её спектральной плотности случайных функций размерного ряда капель и количества их на площади учетных карточек.
Покрытие учетных карточек с измерительной шкалой каплями рабочего раствора фиксировалось цифровым фотоаппаратом. Отмечено увеличение количества отпечатков покрытия карточек каплями в 2,5 раза, по сравнению с результатами полученными после распылителей работавших без насыщением раствора воздухом. На рисунках 4.2 и 4.3 показаны факелы распыления жидко-стно-воздушной смеси, рабочей жидкости и распределение капель на учетных
Результаты приемочных испытаний эжекторного оборудования для полевого опрыскивателя
Согласно основной направленности инноваций на возделывание продукции полеводства в условиях недостаточной увлажненности почвы для проведения технико-экономической оценки эффективности внедрения разработанной технологии и технических средств для осуществления аэрозольной обработки сельскохозяйственных культур в качестве образца была использована структура посевных площадей типичная для южного района Ростовской области. Посевная площадь моделируемого хозяйства была принята в размере 1014 га, что составляет одну тысячную долю площади пашни южной подзоны Ростовской области, при этом севооборот составляли 3 культуры: озимая пшеница, яровой ячмень и подсолнечник. Под каждую из возделываемых культур отводилась равная часть площади полей в Snm =Sm =Sn = 338га, что упростило расчет и дало возможность наглядность сравнить экономический эффект при возделывания их в отдельности. Расчеты проводились в двух вариантах: базовом - при ведении аэрозольной обработки посевов с использованием серийного полевого опрыскивателя ОП-2000/18 только со штатным оборудованием, и новом - с использованием переоборудованного серийного опрыскивателя той же марки для электростатического внесения мелкодисперсной жидкостно-воздушной смеси.
В расчетах технико-экономической оценки основными определяющими характеристиками являлись: затраты труда на 1 га и 1 ц продукции, удельный размер капиталовложений, расход ГСМ, эксплуатационные затраты, себестоимость производимой продукции, а также величина удельной прибыли у товаропроизводителя. В результате основной составляющей частью прибыли принималась экономия средств за счет сокращения дозы внесения химических препаратов, установленная в размере Эпр = 19% от рекомендуемой, согласно протоколу испытаний ФГУБ «Северо-Кавказская МИС» и лабораторно-полевым ис 136 пытаниям на базе ГНУ СКНИИМЭСХ «Россельхозакадемии». Прибыль, полученная от прибавки урожая, в основные показатели эффективности инвестиций не включалась и считалась дополнительной прибылью, так как ее размер (как и величина урожайности) может варьироваться в достаточно широких пределах в зависимости от ряда факторов.
Для проведения листовой подкормки сельскохозяйственных культур применялось широко известное и многократно испытанное нами жидкое комплексное микроэлементное удобрение марки «Аквадон-Микро» для зерновых культур (по посевам пшеницы и ячменя) и «Аквадон-Микро» для технических культур (по посевам подсолнечника), которое хорошо зарекомендовало себя в условиях недостаточной увлажненности. По состоянию на полевой сезон 2013 года стоимость этих препаратов составила для зерновых культур Цузк = 115руб/л; для технических культур Цутк = 125руб/л. Согласно рекомендациям производителя оптимальной дозой внесения действующего вещества является Дбузк = 2,0л/га для зерновых культур и Дбутк = 3,0л/га для технических культур, при расходе рабочего раствора 200л/га. Такая дозировка была принята за стандартную и использовалась для расчета базового варианта. В новом варианте перерасчет дозировки производился по формуле 5.1 и устанавливалась в соответствии с расходом рабочего раствора 162 л/га. Таким образом, в новом варианте ее величина составила Днузк= 1,6л/га - для зерновых культур и Д"утк = 2,4л/га для технических культур.
В ходе многолетних испытаний эффективности влияния препаратов «Аквадон-Микро» на количественные и качественные характеристики продуктивности сельскохозяйственных культур, было установлено, что при среднестатистической урожайности озимой пшеницы 42ц/га своевременное внесение препарата позволяет поднять эту величину на 8ц/га, для ярового ячменя прибавка составляет порядка 4ц/га при средней урожайности 28ц/га и для подсолнечника – 3ц/га при урожайности 14ц/га. Биологическая урожайность определялась во ВНИИЗК им. И.Г. Калиненко по весу зерен в снопе с 1 и весу зерен десяти колосьев в снопе, опыты проводились в течении 5 полевых сезонов в период с 2007 по 2012 годы. В расчетах экономической эффективности использовали величину хозяйственной урожайности.
Инвестиционные вложения на переоборудование штатного полевого опрыскивателя рассчитывались по состоянию рыночных цен на материалы в полевой сезон 2013, а стоимость работ на изготовление и монтаж оборудования принималась в соответствии с расценками на хозяйственно-договорные работы в ГНУ СКНИИМЭСХ «Россельхозакадемии». Расчет объема инвестиционных вложений проводился по 3 основным пунктам: затраты на изготовление и монтаж жидкостно-воздушного эжектроного устройства; затраты на изготовление и монтаж электродной системы; затраты на закупку оборудования и материалов и монтаж высоковольтной аппаратуры. Все основные технологические расчеты по оценке экономической эффективности данных капиталовложений проводилась с использованием алгоритмно-программного комплекса «БАЗА», разработанного сотрудниками ГНУ СКНИИМЭСХ
