OKRE LENIE DYNAMIKI ZNOSZENIA ROZPYLANEJ CIECZY ZA POMOC RÓWNANIA ROSINA-RAMMLERA

Transkrypt

1 Acta Sci. Pol., Technica Agraria 11(1-2) 2012, 3-11 OKRELENIE DYNAMIKI ZNOSZENIA ROZPYLANEJ CIECZY ZA POMOC RÓWNANIA ROSINA-RAMMLERA Witold Kowalik Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie Streszczenie. Najczciej w ochronie rolin stosowane s rozpylacze cinieniowe, które zamieniaj energi potencjaln spronej cieczy na energi kinetyczn cieczy rozpylonej. Ilo wytwarzanych kropel oraz ich spektrum zaley od cinienia roboczego, wielkoci i ksztatu dyszy oraz parametrów rozpylanej cieczy. Celem pracy jest okrelenie wielkoci oraz iloci znoszenia kropel wytwarzanych w rozpylaczu przy rónych prdkociach wiatru. Przeprowadzone obliczenia funkcji Rosina-Rammlera wykazay, e nierównomierno oprysku powstajca w wyniku znoszenia kropli przez wiatr jest znaczna. Najwiksza nierównomierno oprysku powstaje w niewielkiej odlegoci od opryskiwacza. Ze wzrostem tej odlegoci ilo znoszonej cieczy gwatownie si zmniejsza. Sowa kluczowe: jako oprysku, rozkad objtociowy kropel, nierównomierno oprysku WSTP Chemiczna ochrona rolin jest zabiegiem szczególnie wraliwym na jako wykonania. Jako jest to zestaw charakterystyk okrelajcych stopie spenienia zaoonych celów [arin 1984]. Zadaniem zabiegów chemicznych jest usunicie przyczyn utrudniajcych wzrost i plonowanie rolin poprzez wniesienie agrochemikaliów w okrelone miejsce i w okrelonej dawce przy minimalnych skutkach dla rodowiska. Jednak ze wzgldu na due straty rodków chemicznych podczas zabiegów efektywno tego procesu jest niska [Kierzak i Wachowiak 2009]. Jednym z wymogów wysokiej jakoci oprysków jest pokrycie powierzchni (pola lub roliny) równomiern warstw rodka chemicznego kroplami o prawie jednakowej rednicy [Orzechowski i Prywer 2008]. Równomierno oprysku jest szczególnie wana przy stosowaniu rodków chemicznych o wysokim steniu, poniewa w przeciwnym przypadku moe doj do miejscowego zniszczenia uprawy lub nieskutecznoci zabiegu [Dwiliski i Pietrzyk 1999]. Adres do korespondencji Corresponding author: Witold Kowalik. Katedra Eksploatacji Maszyn i Zarzdzania w Inynierii Rolniczej Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie. ul. Poniatowskiego 1, Lublin, witold.kowalik@up.lublin.pl

2 4 W. Kowalik O skutecznoci chemicznej oprysku w znacznym stopniu decyduje równie spektrum rozpylonej strugi wytwarzanej przez rozpylacz [Szewczyk 2009, Koszel i Sawa 2006]. Stosowane rozpylacze cinieniowe zamieniajce energi potencjaln spronej cieczy na energi kinetyczn rozpylonej strugi wytwarzaj krople, których ilo oraz wielko (spektrum) zaley od cinienia roboczego, wielkoci i ksztatu dyszy oraz parametrów strugi. Na jako zabiegu duy wpyw ma ruch powietrza, który zwiksza nierównomierno oprysku poprzez odchylenie strugi, separacj i unoszenie kropel, powodujc uszkadzanie ssiednich plantacji oraz zanieczyszczenie rodowiska [Szewczyk i Wilczok 2008]. Celem pracy jest okrelenie wielkoci znoszenia kropel wytwarzanych w rozpylaczu przy prdkociach wiatru uznawanych za bezpieczne do przeprowadzania oprysków, tj. do 3 ms -1 [Ustawa o ochronie rolin 2003]. MATERIAY I METODA W badaniach przeprowadzono obliczenia dla rozpylacza paskostrumieniowego LU Potrzebne do oblicze dane uzyskano z wyników bada rozpylaczy dla sprztu polowego i sadowniczego przeprowadzonych w PIMR Pozna [Szulc i in. 2004]. Za rozpylan ciecz przyjto wod, nie uwzgldniajc parowania. Wysoko belki polowej nad opryskiwan powierzchni przyjto na poziomie 0,5 m. Zastosowane w niniejszej metodzie zalenoci opracowano, wykorzystujc prace Orzechowskiego [1976] oraz Orzechowskiego i Prywera [2008]. Wytwarzane w rozpylaczu krople maj prdko pocztkow: p 2 [m s -1 ] (1) gdzie: prdko pocztkowa kropli; p rónica cinie statycznych po obu stronach otworu rozpylacza [Pa]; w gsto cieczy (wody) [ w = 1000 kg m -3 ]; w W wyniku oporu aerodynamicznego kropla porusza si ruchem jednostajnie opónionym, zmniejszajc prdko od prdkoci pocztkowej do prdkoci opadania op, a nastpnie przemieszcza si ruchem jednostajnym. Droga s [m], jak przebywa kropla ruchem jednostajnie opónionym wynosi: gdzie: 3/ 2 8wd s = Ad 3/2 [m] (2) 3n 8w A (3) 3n Acta Sci. Pol.

3 Okrelenie dynamiki znoszenia rozpylanej cieczy za pomoc równania Rosina-Rammlera 5 gsto gazu (powietrza) [ = 1,2 kg m -3 ]; lepko kinematyczna gazu (powietrza) [ = m 2 s -1 ]; d rednica kropli [m]; n skadowa wspóczynnika oporu aerodynamicznego c x ; gdzie: Re liczba Reynoldsa n c x (4) 0,5 Re Re = d (5) gdzie: op prdko opadania kropli; op 4g( w g ) d [m s -1 ] (6) 3 c g Przy przemieszczaniu si kropli w zakresie przepywu laminarnego (10-4 Re 0,4) prdko opadania kropli mona obliczy z zalenoci: op x 2 g( w g ) d [m s -1 ] (7) 18 gdzie: lepko dynamiczna gazu (powietrza) [ = 18, kg m -1 s -1 ]; Przy opadaniu kropli w zakresie przepywu przejciowego (0,4 Re 10 3 ) 1,6 4d g( ) 1,4 w op [m s -1 ] (8) 55,5 Odlego znoszenia kropli okrelano z zalenoci: gdzie: w prdko wiatru [m s -1 ] t czas znoszenia kropli [s] l = w t [m] (9) t = 0,50 s op [s] (10) Po podstawieniu do wyraenia 9 otrzymujemy: w l = (0,5 s) [m] (11) op Technica Agraria 11(1-2) 2012

4 6 W. Kowalik Licznik we wzorze 10 przedstawia drog, jak przebywa kropla ruchem jednostajnym z prdkoci op przy zaoeniu, e belka polowa znajduje si na wysokoci 0,50 m nad opryskiwan powierzchni. Dynamik znoszenia cieczy okrelano, obliczajc sumaryczny rozkad objtoci (masy) kropel 3 (d) wytwarzanej przez rozpylacz za pomoc równania Rosina- Rammlera. Funkcja ta dobrze opisuje rozkad rozpylonej cieczy i zgodna jest z danymi dowiadczalnymi [Orzechowski 1976]. Rozkad Rosina-Rammlera wyraony jest nastpujc zalenoci: gdzie: X parametr rozmiaru rednic [m]; parametr jednorodnoci rozpylenia; d 3 (d) = 1 exp [ ( ) ] (12) X Parametr okrelany jest na podstawie bada. Jak podaje literatura [Orzechowski i Prywer 2008] w rzeczywistych warunkach rozpylenia parametr mieci si w przedziale 2 4. Do oblicze przyjto = 3. Parametr X obliczono z zalenoci: D m gdzie: D m rednica medialna (VMD) rozpylonej cieczy. X [m] (13) 0, 693 WYNIKI BADA I ICH ANALIZA Wyniki przeprowadzonych bada przedstawiono na rysunkach 1 5. Wytwarzane przez rozpylacz krople pod wpywem dziaania wiatru mog by przenoszone na znaczne odlegoci. Jak pokazano na rysunku 1, przy prdkoci wiatru 1 m s -1 odlegoci te (l 1 ) mog wynosi ponad 160 m, natomiast przy dziaaniu wiatru o prdkoci 3 m s -1 l 3 jest trzykrotnie wiksza. Naley zaznaczy, e s to prdkoci dopuszczalne do przeprowadzania oprysków. [Ustawa 2003]. Odlego, na jak znoszony jest rodek chemiczny, zaley zarówno od spektrum wytwarzanych kropel, jak i od cinienia w opryskiwaczu. Ze wzrostem cinienia (rys. 2) krople o tej samej rednicy znoszone s na mniejsz odlego. Np. kropla o rednicy 60 m przy opryskiwaniu pod cinieniem 0,1 MPa i prdkoci wiatru 1 m s -1 znoszona jest na odlego ponad 4 m (4,06 m), natomiast przy cinieniu piciokrotnie wikszym na odlego 3,78 m. Jest to spowodowane tym, e przy wyszym cinieniu kropla uzyskuje wiksz energi kinetyczn, a wic i wiksz prdko pocztkow. Zgodnie z zalenoci 2 droga s równie wzronie. Naley zaznaczy, e ze wzgldu na ma warto s (poniej 0,5 m) oraz du prdko pocztkow (10 23 m s -1 ) wielko znoszenia na tym odcinku (s) jest nieznaczna. Waciwe znoszenie kropli odbywa si na odcinku (0,5 s), a przy wyszym cinieniu opryskiwania warto ta jest mniejsza, czyli zgodnie ze wzorem 11 warto znoszenia l jest równie mniejsza. Acta Sci. Pol.

5 Okrelenie dynamiki znoszenia rozpylanej cieczy za pomoc równania Rosina-Rammlera 7 l(m) d( m) 1 m s -1 2 m s -1 3 m s -1 Rys. 1. Odlego znoszenia kropel przy oprysku pod cinieniem 0,1 MPa i prdkoci wiatru od 1 do 3 m s -1 Fig. 1. The distance drift of spray droplets at 0.1 MPa pressure and wind speed from 1 to 3 m s -1 l(m) 4,05 4 3,95 3,9 3,85 3,8 3,75 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 P(MPa) Rys. 2. Odlego znoszenia kropel o rednicy 60 μm przy prdkoci wiatru 1 m s -1 w zalenoci od cinienia oprysku Fig. 2. Distance elimination droplets of diameter 60 μm at a wind speed of 1 m s -1, depending on spraying pressure Technica Agraria 11(1-2) 2012

6 8 W. Kowalik d) 1 0,8 0,6 0,4 0, d( m) 31 (d) 32 (d) 33 (d) 34 (d) 35 (d) Rys. 3. Sumaryczny rozkad kropel dla rozpylacza LU (cinienie oprysku 0,1 0,5 MPa) Fig. 3. The oerall distribution of spray droplets for LU (spray pressure of MPa) 3 (d) 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0, l(m) Rys. 4. Dynamika znoszenia kropel przy cinieniu oprysku 0,1 MPa i prdkoci wiatru 1 m s -1 (rednica kropel μm) Fig. 4. The dynamics of drift of spray droplets at a pressure of 0.1 MPa and wind speed 1 m s -1 (diameter of droplets m) Acta Sci. Pol.

7 Okrelenie dynamiki znoszenia rozpylanej cieczy za pomoc równania Rosina-Rammlera 9 3 (d) 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0, l(m) Rys. 5. Dynamika znoszenia kropel przy cinieniu oprysku 0,5 MPa i prdkoci wiatru 3 m s -1 (rednica kropel μm) Fig. 5. The dynamics of drift of spray droplets at a pressure of 0.5 MPa and wind speed 3 m s -1 (diameter of droplets m) Przeprowadzone obliczenia funkcji Rosina-Rammlera dla badanego rozpylacza (LU12003) przy cinieniach oprysku od 0,1 do 0,5 MPa wykazay, e sumaryczny rozkad objtoci kropel przy wyszym cinieniu jest bardziej jednorodny ni przy niszym. wiadczy o tym bardziej stromy przebieg krzywych 33 (d) 35 (d) dla cinie 0,3 0,5 MPa (rys. 3). Ponadto z wykresu tego wynika, e przy wyszym cinieniu wytwarzanych jest wicej drobnych kropel. Niejednorodno wytwarzanych przez rozpylacz kropel wpywa na nierównomierny oprysk poprzez ich znoszenie przez wiatr na róne odlegoci. Jak wynika z rys. 4 przy cinieniu oprysku 0,1 MPa i prdkoci wiatru 1 m s -1 38,7% objtoci (masy) rozpylanej cieczy podlega znoszeniu na odlego do 164,89 m (rys. 1). Przemieszczeniu pod wpywem wiatru podlegaj krople o rednicy d = 240 m i mniejsze. Na odlego l > 1 m znoszone jest 5% objtoci kropel (dla l = 1 m 3 (d) = 0,05) o rednicy d 100 m. Najwicej rozpylanej cieczy przemieszcza si w pobliu opryskiwacza. W odlegoci do 1 m od maszyny znoszone jest 33,7% cieczy, w pasie 1 2 m 4%, a powyej 2 m zaledwie 1%. Ze wzrostem prdkoci wiatru oraz cinienia opryskiwania wzrastaj równie parametry znoszenia. Obliczenia wykazay, e prawie 5% objtoci kropel jest znoszona na odlego powyej 4 m (rys. 5). W odlegoci do 4 m znoszone jest 28,5% objtoci kropel, natomiast w pasie do 1 m od opryskiwacza zaledwie 13%. Wzrost odlegoci znoszenia przy wyszych parametrach oprysku jest spowodowane gównie wiksz prdkoci wiatru (3 m/s) natomiast wiksza ilo znoszonej cieczy na dalsz odlego wytwarzaniem przez rozpylacz wikszej iloci kropel podlegajcych znoszeniu. Czynnikiem zmniejszajcym znoszenie w tym przypadku jest wiksza energia kine- Technica Agraria 11(1-2) 2012

8 10 W. Kowalik tyczna (wysza prdko pocztkowa), dlatego przemieszczeniu podlegaj krople o rednicy d 180 m, a nie jak w poprzednim przypadku o rednicy d 240 m. Mimo wyszej prdkoci wiatru i znoszenia cieczy na wiksz odlego, cakowita wielko znoszenia cieczy wynosi 32,92% i jest mniejsza o 5,78% ni w przypadku niszego cinienia i prdkoci wiatru. WNIOSKI 1. Niejednorodno wytwarzanych przez rozpylacz kropla wpyw na równomierno oprysku. 2. Nierównomierno oprysku powstajca w wyniku znoszenia kropel jest znaczna. 3. Najwiksza nierównomierno oprysku powstaje w niewielkiej odlegoci od opryskiwacza. Ze wzrostem tej odlegoci ilo znoszonej cieczy gwatownie spada. 4. W czasie wykonywania oprysków, krople cieczy ze rodkiem chemicznym znoszone s na due odlegoci, co w duszym okresie czasu i przy intensywnych opryskach moe ujemnie wpywa na rodowisko. 5. Spektrum kropel wytwarzanych przez rozpylacz okrelonych za pomoc funkcji Rosina-Rammlera moe posuy do okrelenia wielkoci znoszenia przy rónych warunkach pracy. PIMIENNICTWO Dwiliski L., Pietrzyk J., Szacowanie nierównomiernoci oprysku. Prace Nauk. Polit. Warsz. Mechanika, 176, arin.a., What does product quality really. Sloan Menagement Re. 1/1984. Kierzak R., Wachowiak M., Wpyw techniki ochrony rolin na skuteczno wykonywanych zabiegów. Probl. In. Rol. 2, Koszel M., Sawa J., 2006 Wpyw parametrów pracy rozpylaczy paskostrumieniowych na spektrum ladu kropel. In. Rol. 5(80), Orzechowski Z., Rozpylanie cieczy. WNT. Warszawa. Orzechowski Z., Prywer J., Wytwarzanie i zastosowanie rozpylonej cieczy. WNT. Warszawa. Szewczyk A., 2009 Technika opryskiwania paskich upraw polowych stan obecny bada i kierunki rozwoju. Szewczyk A., Wilczok., Teoretyczny opis rozkadu rozpylonej cieczy w warunkach dziaania czoowego strumienia powietrza. In. Rol. 5(103), Szulc T., Sobkowiak B., Rogacki R., Sadowski K., Wyniki bada rozpylaczy dla sprztu polowego i sadowniczego. PIMR Pozna. Ustawa o ochronie rolin z dnia 18 grudnia 2003, Dz. U. 2004, nr 11, poz. 94. Acta Sci. Pol.

9 Okrelenie dynamiki znoszenia rozpylanej cieczy za pomoc równania Rosina-Rammlera 11 DETERMINATION OF DYNAMIC ELIMINATION SPRAY BY ROSIN-RAMMLER EQUATION Abstract. Most often in plant protection pressure sprayers are used which change potential energy of compressed liquid into kinetic energy of sprayed liquid. Amount of produced drops and their spectrum depend on operating pressure, size and shape of a nozzle and parameters of sprayed liquid. The aim of this study is to determine the size and amount of drifting of drops produced in sprayer with different wind elocity. The conducted calculations of the Rosin-Rammler function hae reealed that the irregularity of spraying occurring as a result of drifting of drops by wind is significant. The biggest irregularity of spraying occurs within a small distance from sprayer. With the increase of this distance the amount of drifted liquid is decreasing rapidly Key words: quality of spraying, olume distribution of drops, irregularity of spraying Praca wykonana w ramach realizacji projektu badawczego MNiSW 493/N-Belgia/2009/0 pt. Opracowanie metod i urzdzenia do kompleksowych bada jakoci pracy rozpylaczy rolniczych oraz walidacja tych metod. Zaakceptowano do druku Accepted for print: Technica Agraria 11(1-2) 2012