Сельское хозяйство/2. Механизация сельского хозяйства

К.т.н., доцент Чернецкая Н.А.

Рубцовский индустриальный институт (филиал) ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», Россия

Д.т.н., профессор Шапошников Ю.А.

ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический

университет им. И.И. Ползунова», Россия

выбор ресурсосберегающего режима приготовления раствора минеральных удобрений по результатам исследования динамической модели взаимодействия частицы и лопасти

Одним из ресурсоемких процессов в тепличном овощеводстве является подкормка растений жидкими минеральными удобрениями. Для их растворения в поливной воде требуются определенные затраты энергии и времени на приготовление качественного питательного раствора, соответствующего агротехническим требованиям [1].

Повысить эффективность процесса получения смеси жидких минеральных удобрений можно посредством применения аппарата, с радиальной лопастной мешалкой. Использование такого смесителя в тепличном овощеводстве обеспечит снижение энергозатрат и времени на полное и равномерное перемешивание минеральных удобрений с поливной водой. Конструкция аппарата проста по устройству, обладает малой метало- и энергоемкостью, удобна в эксплуатации и обслуживании [2].

Питательные растворы наиболее удобно и выгодно производить путем механического перемешивания сухих минеральных удобрений с поливной водой. При этом создается большая турбулентность потока, необходимая для того, чтобы все частицы туков находились в жидкости во взвешенном состоянии и не выходили бы из зоны активного перемешивания, чего достаточно для обеспечения растворения туков. Кроме того, производится механическое воздействие лопастей на твердую фазу. Это активизирует процесс растворения твердых туков в воде, которые растворяются очень медленно (например, фосфорные удобрения).[3]

При вращении вала мешалки каждая лопасть перемещается в некотором объеме, равном диаметру смесительной емкости и ширине лопасти. Частицы туков находятся в контакте с поверхностью лопасти, а именно, перемещаются по определенной траектории, затем сходят с лопасти, продолжая участвовать в перемешивании (увлекаются потоком жидкости), попадают на другую лопасть, перемещаются по ее поверхности, сходят и продолжают такое перемещение по лопастям до растворения.

Таким образом, задача сводится к выявлению режима работы смесителя, при котором частица как можно дольше будет находиться в контакте с лопастью.

Анализ поведения частицы туков при захвате ее лопастью показывает, что рациональная угловая скорость мешалки находится в пределах от до . В таком режиме работы частица движется по лопасти при повороте вала до угла от нижнего вертикального положения лопасти в смесительной емкости, и затем сходит с нее и увлекается вращающейся средой. Это обеспечит взаимодействие частицы с жидкостью, и будет способствовать более быстрому растворению.[4].

Для построения динамической модели взаимодействия частицы и лопасти рассмотрели схему относительного движения частицы по поверхности плоской лопасти при вращении мешалки. На рисунке 1 неподвижная система координат связана с осью вращения лопастного вала, а подвижная система координат связана с лопастью и вращается вместе с ней. Тогда движение центра масс частицы является относительным в системе , переносным - вместе с лопастью, абсолютным по отношению к системе . Положение точки относительно подвижной системы отсчета определяется радиус-вектором , проведенным в точку из начала этой системы 0, или тремя координатами , , в этой системе

.

Начало отсчета времени соответствует моменту встречи частицы с лопастью в начальной точке соединения лопасти и вала.

Рис.1. Динамическая модель взаимодействия частицы и лопасти

На частицу находящуюся, на вращающейся лопасти действуют следующие силы: - вес частицы; – реакция поверхности лопасти; - сила трения частицы по поверхности лопасти; - сила инерции Кориолиса; - относительная сила инерции.

С учетом уравнения лопасти, которое записано в начальных условиях для координат и , а также текущих преобразований, уравнения движения точки имеют вид [5]:

Систему дифференциальных уравнений решили с применением компьютерной системы проведения математических расчетов MatLAB путем интегрирования методом Рунге-Кутта 4-го порядка. В результате получили координаты и частицы на лопасти, проекции скорости частицы и на координатные оси, абсолютную скорость , а также путь при различных значениях угловой скорости вала, угла наклона лопасти к плоскости вращения и в различные моменты времени . Динамика взаимодействия частицы и лопасти имеет следующие особенности.

1. Величина пути частицы изменяется прямо пропорционально угловой скорости вала и обратно пропорционально величине угла наклона лопасти к плоскости вращения. Данный вывод справедлив при изменении от до . При величина остается постоянной и не зависит от изменения . Увеличение частоты вращения позволит увеличить траекторию частицы на лопасти и обеспечить максимальный контакт с лопастью.

2. Траектории частицы представляют собой почти прямые линии с отклонением в сторону противоположную направлению вращения лопастного вала. Частица сходит с лопасти в различные моменты времени в зависимости от режима. При минимальной частица остается на лопасти в течение только при углах от до . При увеличении угловой скорости до нижняя граница диапазона угла расширяется до .

3. Изменение абсолютной скорости прямо пропорционально изменению и обратно пропорционально изменению . При максимальной угловой скорости вала увеличивается на 23% и достигает значения при . С возрастанием угла от до скорость частицы становится всё меньше и снижается процент её роста при увеличении . При частица движется с наименьшей скоростью , которая остается постоянной при любом в рассматриваемом диапазоне. Следовательно, при наибольшем контакте частицы и лопасти скорость будет принимать значение .

Несмотря на то, что при частица проходит самый короткий путь, но зато он полностью идет по лопасти и длительность контакта наибольшая.

Из результатов проведенных исследований следует, что процесс перемешивания в лопастном механическом смесителе протекает наилучшим образом с угловой скоростью вращения вала и углом наклона лопасти к плоскости вращения . Такой режим работы и конструктивные параметры лопастного вала способствуют максимально долгому нахождению частицы на лопасти, распределению туков по всему объему приготавливаемой смеси, а также их активному растворению. Приготовленный питательный раствор будет иметь равномерное распределение всех питательных веществ в соответствии с агротехническими требованиями.

Литература:

1. Чернецкая Н.А. Экспериментальное исследование процесса растворения минеральных удобрений в воде. Труды Рубцовского индустриального института: Выпуск 5: Технические науки, под ред. С.А. Гурченкова. – Рубцовск, РИИ, 1997. – С. 104 – 109.

2. Чернецкая Н.А., Шапошников Ю.А. Обоснование параметров смесеприготовительного аппарата минеральных удобрений. Вестник Алтайского государственного аграрного университета № 9 (71) – Барнаул, 2010. – С. 78 – 81.

3. Чернецкая Н.А. Определение факторов ресурсосберегающей технологии приготовления смесей. Труды Рубцовского индустриального института: Выпуск 20: Технические науки / Под ред. А.А. Апполонова / Рубцовский индустриальный институт. – Рубцовск, 2009. –С. 155 – 160.

4. Чернецкая Н.А., Фокеев А.К. Исследование движения частицы в аппарате с механической мешалкой. Известия ТулГУ. Сер. Проблемы сельскохозяйственного машиностроения. Вып. 2. – Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. – С. 25 – 31.

5. Чернецкая Н. А. К вопросу о движении частицы в сопротивляющейся среде. Труды Рубцовского индустриального института: Выпуск 17: Технические науки / Под ред. А.А. Апполонова, Э.С. Маршалова / Рубцовский индустриальный институт. - Рубцовск, 2007. – С. 126 – 133.