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果園管道恒壓噴霧霧滴均勻性試驗與分析

2016-10-08 05:57:46代秋芳洪添勝宋淑然華南農(nóng)業(yè)大學電子工程學院廣東廣州510642國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機械研究室廣東廣州510642華南農(nóng)業(yè)大學工程學院廣東廣州5106422華南農(nóng)業(yè)大學工程基礎(chǔ)教學與實訓中心廣東廣州510642
廣東農(nóng)業(yè)科學 2016年7期

代秋芳,洪添勝,宋淑然,陳 姍,張 丞(1.華南農(nóng)業(yè)大學電子工程學院,廣東 廣州 510642;2.國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機械研究室,廣東 廣州 510642;.華南農(nóng)業(yè)大學工程學院,廣東 廣州 5106422;4.華南農(nóng)業(yè)大學工程基礎(chǔ)教學與實訓中心,廣東 廣州 510642)

果園管道恒壓噴霧霧滴均勻性試驗與分析

代秋芳1,2,洪添勝2,3,宋淑然1,2,陳 姍2,4,張 丞3
(1.華南農(nóng)業(yè)大學電子工程學院,廣東 廣州 510642;2.國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機械研究室,廣東 廣州 510642;3.華南農(nóng)業(yè)大學工程學院,廣東 廣州 5106422;4.華南農(nóng)業(yè)大學工程基礎(chǔ)教學與實訓中心,廣東 廣州 510642)

霧滴均勻性是衡量噴霧效果的重要指標之一,探索管道恒壓噴霧中壓力和孔徑對空心圓錐霧噴頭霧滴均勻性的影響具有重要意義。通過噴霧性能綜合試驗平臺,利用激光粒度儀,測量管道恒壓噴霧中3種孔徑空心圓錐霧噴頭在8種壓力下的5種霧滴均勻性參數(shù)數(shù)據(jù),獲得霧滴累積分布,分析霧滴的分布和均勻性。結(jié)果表明,在本試驗壓力范圍(0.70~1.40 MPa)下,霧滴粒徑較一致,霧滴較均勻;當壓力大于0.80 MPa時霧滴均勻性很好;壓力越大、孔徑越小,霧滴越均勻;D<20 μm的霧滴(均小于0.538%)和D≥100 μm的霧滴(均小于0.325%)可忽略不計,主要為D<60 μm的霧滴(90.132%~99.234%),擴散比為0.893~0.916;5種均勻性參數(shù)均隨壓力呈二次多項式變化規(guī)律,R2均在0.984以上;5種均勻性參數(shù)與孔徑和壓力均有良好的二元線性關(guān)系(R2分別為0.952、0.952、0.937、0.850和0.831)。結(jié)果驗證了管道恒壓噴霧裝置有助于提高霧滴均勻性,對管道恒壓噴霧中噴頭的選型、噴霧壓力的設(shè)置及噴霧效果的優(yōu)化有重要參考意義。

果園;管道恒壓噴霧;霧滴均勻性;孔徑;壓力

代秋芳,洪添勝,宋淑然,等. 果園管道恒壓噴霧霧滴均勻性試驗與分析[J].廣東農(nóng)業(yè)科學,2016,43(7):164-171.

我國南方山地果園多,移動式噴霧機械很難進入。許多果農(nóng)仍采用背負式噴霧機或擔架式噴霧機帶長軟管進行噴藥作業(yè),勞動強度大,效率低。本研究團隊研發(fā)的管道恒壓噴霧系統(tǒng)無需機具在山地中移動行走,可多人同時作業(yè),具有省力、省工、噴霧效果好等優(yōu)點,適合山地果園使用[1-3]。管道噴霧時管道內(nèi)藥液的壓力隨作業(yè)人數(shù)的不同產(chǎn)生波動,藥液在管道中流動出現(xiàn)壓力損失,導致整個管網(wǎng)各點壓力各不相同,因此壓力成為影響管道噴霧系統(tǒng)中噴頭霧滴均勻性的最重要因素之一[4-5]。另外,在壓力相同、噴頭類型一樣的情況下,噴頭孔徑也成為影響霧滴均勻性的主要因素。由此可見,在果園管道噴霧中,噴霧壓力和噴頭孔徑是影響霧滴均勻性的重要因素,然而到目前為止,還未見有文獻對管道噴霧中噴頭霧滴均勻性進行詳細研究。

霧滴均勻性是衡量噴霧質(zhì)量的重要指標[6-8],直接影響霧滴的飄移[9]、沉積[10-11]和藥效的發(fā)揮[12]。國內(nèi)外學者采用各種方法對霧滴均勻性進行評估,包括利用圖像處理技術(shù)對霧滴進行顯微識別[13]、利用高速攝像機結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)對霧滴分布和霧滴的運動進行分析[14]、利用激光粒度儀測量霧滴譜[15],同時對影響噴頭霧滴均勻性的各種因素進行了分析[16-17]。但這些研究大多測量在較低壓力噴霧時噴頭的霧滴均勻性參數(shù),大多集中在單因素對霧滴均勻性的影響方面,而對適合果園需求的高壓力噴霧時噴頭霧滴的均勻性研究較少,主要影響因素與霧滴均勻性之間的相關(guān)關(guān)系研究也較少。

由于果園噴霧要求霧滴均勻,霧滴均勻性可根據(jù)噴施對象的需求進行調(diào)節(jié),因此,本試驗通過改變壓力和孔徑,利用激光粒度儀采集霧滴均勻性參數(shù)數(shù)據(jù),研究壓力和孔徑對霧滴均勻性影響,驗證研發(fā)管道恒壓噴霧裝置的重要性,提高噴霧霧滴均勻性,可為果園管道恒壓噴霧中噴頭的選型、噴霧壓力設(shè)置及噴霧效果優(yōu)化提供一定參考。

1 材料與方法

1.1果園管道恒壓噴霧系統(tǒng)

本團隊研發(fā)的管道恒壓噴霧系統(tǒng)如圖1所示,該設(shè)施在果園埋下管網(wǎng),管網(wǎng)進液端配有藥池和恒壓噴藥控制裝置,管道每隔一段距離就安裝上升至地面的立式管,每個立管在打藥時再與軟管和噴槍相連接,利用變頻電動機和藥泵,把藥液輸送到果樹旁,人工逐株打藥,可多人同時作業(yè)。

圖1 果園管道恒壓噴霧系統(tǒng)

圖2 管道恒壓噴霧系統(tǒng)的控制裝置

管道恒壓噴霧系統(tǒng)的控制裝置由柱塞泵、壓力傳感器、變頻電動機、變頻器和控制箱組成(圖2),可使出水口壓力保持恒定,解決了傳統(tǒng)管道噴霧壓力不穩(wěn)定和易爆管等問題。管道恒壓噴霧裝置中的關(guān)鍵技術(shù)是利用自整模糊PID算法對管道中藥液壓力進行調(diào)控。因此,本研究結(jié)果可驗證管道恒壓噴霧系統(tǒng)保持壓力恒定的重要性,也為噴霧時控制裝置中壓力的設(shè)定和優(yōu)化控制提供了參考。

1.2霧滴均勻性描述參數(shù)

DR:擴散比(Diffusion ratio,DR)是衡量霧滴均勻性能的指標之一。DR越接近于1,表示霧滴的粒徑越均勻;DR不小于0.67,表明噴霧質(zhì)量較好;DR大于0.90,則表明噴霧質(zhì)量很好[18]。

DW:霧滴譜寬度(droplets spectral width,DW),霧滴譜寬度越窄,霧滴越均勻。

RS:相對霧滴譜寬度(relative droplets spectral width,RS),描述粒度分布的相對寬度或不均勻程度,RS越小越好,理想為0。計算公式如下:式中,NMD為粒徑中值,指取樣霧滴的個數(shù)按霧滴大小順序進行累計,其累計值為取樣霧滴個數(shù)總和的50%所對應的霧滴直徑;D10為顆粒累積分布為10%的粒徑,指取樣霧滴的體積按霧滴大小順序進行累計,其累計值為取樣霧滴體積總和的10%所對應的霧滴直徑,即小于此粒徑的顆粒體積含量占全部顆粒的10%;D50為顆粒累積分布為50%的粒徑;D90為顆粒累積分布為90%的粒徑。

1.3試驗裝置

噴霧性能綜合試驗平臺:Autobona WFS-II噴霧性能綜合試驗平臺可測量噴頭的壓力、流量、噴霧角、噴灑的均勻性、水泵消耗功率和霧滴參數(shù)。本試驗主要用平臺中的變頻器、壓力傳感器、試液循環(huán)系統(tǒng)和激光粒度儀測量噴頭霧滴均勻性參數(shù)來分析霧滴均勻性。

激光粒度儀:Winner318B激光粒度儀可測定霧滴均勻性參數(shù)。該儀器的激光器為綠色激光器,功率30 mW;波長532 nm,量程為15~711 μm;準確性誤差<3%;重復性誤差<3%。儀器采用信息光學原理,通過測量顆粒群的散射譜分析其粒度分布和均勻性。

拉絲模孔徑測量儀:拉絲模孔徑測量儀可測量噴頭孔徑。測量儀將光學與數(shù)碼、軟件相結(jié)合,在軟件中對孔徑、孔型進行測量,可得出圓孔的半徑、直徑、真圓度。測量儀的分辨率:0.1 μm;重復精度:±0.5 μm;測量范圍:0.05~30 mm;變倍方式:連續(xù)變倍;最大倍率:800倍。

1.4試驗方法

試驗在噴霧性能綜合試驗平臺上進行,對Lechler TR80系列噴頭(圖3)的霧滴均勻性參數(shù)進行測量。該系列噴頭是一種帶陶瓷芯的空心圓錐霧噴頭,共3種型號,分別為TR80-01C、TR80-02C和TR80-03C,壓力范圍0.3~2.0 MPa,高耐磨,耐化學藥劑,有極細霧滴譜,適用于壓力要求較高的山地果園管道恒壓噴霧系統(tǒng)。由于預試驗中,壓力小于0.70 MPa時,霧滴均勻性很差,DR均小于1,因此本試驗在噴霧壓力大于0.70 MPa時進行,調(diào)節(jié)壓力在0.70~1.40 MPa變化,步進0.10 MPa;試驗用水為清水;用拉絲模孔徑測量儀測得TR80-01C、TR80-02C、TR80-03C噴頭孔徑分別為1.0、1.4、1.8 mm。

圖3 Lechler TR80噴頭

用激光粒度儀對噴頭中軸線上距噴嘴15 cm處霧滴顆粒群的散射譜進行測量,得到霧滴能譜數(shù)據(jù),再將能譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為霧滴均勻性參數(shù)數(shù)據(jù)。試驗前用標準物質(zhì)(直徑25 μm)進行標定。為去除背景光影響,每次測量前先測試背景10次再進行樣品測試。本試驗對樣品連續(xù)測量100次得到100條測試數(shù)據(jù)(100個時刻),取平均值,作為每種工況下樣品的測試數(shù)據(jù)。

1.5數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)利用Excel 2007軟件進行處理,利用SPSS 16.0進行二元線性分析,利用origin 9.0進行繪圖及曲線擬合。能譜數(shù)據(jù)向霧滴均勻性參數(shù)轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生的計算誤差稱為擬合誤差,本試驗擬合誤差均小于0.012,符合試驗要求。

2 結(jié)果與分析

2.1霧滴累積分布情況分析

在0.70~1.40 MPa壓力下,3種噴頭的霧滴累積分布見圖4。從圖4可以看出,TR80-01C、TR80-02C、TR80-03C噴頭的霧滴較均勻,粒徑D<20 μm的霧滴占比很小(均小于0.538%),可以忽略不計;D<40 μm的霧滴分別為84.314%~93.374%、82.778%~91.514%、79.659%~90.221%;D<60 μm的霧滴分別為94.928%~99.234%、92.510%~98.101%、90.132%~97.144%;D<80 μm的霧滴分別為99.092%~99.889%、98.374%~99.703%、97.535%~ 99.389%;D<100 μm的霧滴分別為100%、100%、99.675%~100%;D≥100 μm的霧滴很少(均小于0.325%),可忽略不計。可見,壓力越大、孔徑越小,霧滴累積分布更集中,霧滴更均勻。

2.2霧滴均勻性變化趨勢分析

為詳細了解霧滴均勻性參數(shù)的變化趨勢,利用Origin分別繪出能反映霧滴均勻性的5種參數(shù)隨壓力變化的曲線,從圖5可以看出,噴霧壓力在0.70~1.40 MPa變化時,3種噴頭的霧滴均勻性發(fā)生了以下變化:

(1)霧滴粒徑較為一致。其中小部分霧滴粒徑為50 μm≤D≤100 μm,TR80-01C、TR80-02C、TR80-03C噴頭此類霧滴占比分別為<8%、<11%、<13%;大部分霧滴D<50 μm,TR80-01C、TR80-02C、TR80-03C噴頭此類霧滴占比分別為>92%、>89%、>86%;隨著壓力增大、孔徑減小,3種噴頭50 μm≤D ≤100 μm的霧滴占比均稍變小,D<50 μm的霧滴占比均增大,霧滴亦越均勻。

圖4 不同壓力下霧滴的累積分布

圖5 壓力對噴頭霧滴均勻性參數(shù)的影響

(2)TR80-01C、TR80-02C、TR80-03C噴頭的DR變化范圍分別為0.903~0.916、0.899~0.914、0.893~0.911,DW變化范圍分別為13.097~18.066、13.636~25.593、14.150~34.566 μm,RS變化范圍分別為0.556~0.428、0.801~0.442、1.070~0.457。壓力越大、孔徑越小,導致DR越大、DW和RS越小,表明霧滴越均勻。這是由于壓力越大,液體噴出的初速度就越大,噴孔中液體擾動程度及噴出后所受到的空氣介質(zhì)阻尼也越大,霧滴破碎更充分;噴孔越小,液體噴出時受到更大的節(jié)流,噴孔內(nèi)擾動增加,霧滴破碎更充分。本試驗DR均不小于0.67且接近于1,RS均接近于0,表明霧滴均較均勻,噴灑質(zhì)量均良好。

(3)當壓力大于0.80 MPa時,霧滴DR均大于0.90,噴霧效果較理想。

2.3基于壓力的均勻性參數(shù)模型

以TR80-01C、TR80-02C、TR80-03C噴頭為研究對象,利用Excel中的數(shù)據(jù)分析工具,經(jīng)曲線回歸依次分析5種均勻性參數(shù)隨壓力的變化規(guī)律。在進行多項式回歸時,同時利用線性函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)進行回歸分析,這些函數(shù)的決定系數(shù)均比多項式回歸的決定系數(shù)小,因此采用多項式表示各均勻性參數(shù)隨壓力的變化規(guī)律。以噴霧壓力為橫坐標(x)、均勻性參數(shù)為縱坐標(y),壓力取值為0.80~1.40 MPa,步進0.10 MPa,得到3種型號噴頭的5種均勻性參數(shù)與噴霧壓力的擬合曲線(表1)。從表1可以看出,霧滴的均勻性參數(shù)隨壓力的變化規(guī)律均能用二次多項式表示,且回歸均具有較高相關(guān)系數(shù),決定系數(shù)R2均達0.984以上;霧滴的均勻性與壓力和孔徑密切相關(guān),5種均勻性參數(shù)的變化趨勢與壓力和孔徑的變化趨勢基本一致,具有很強的相關(guān)性。

2.4基于壓力和孔徑的二元線性模型

用SPSS軟件進行二元線性回歸分析,其中,壓力取值范圍為0.80~1.40 MPa,步進0.1MPa;孔徑取值范圍為1.0~1.8 mm,步進0.4 mm。從表2~表4可以看出:(1)回歸模型的決定系數(shù)R2、調(diào)整決定系數(shù)RC2均較高,其中50 μm≤D≤100 μm的霧滴占比、D<50 μm的霧滴占比以及DR、DW、RS的決定系數(shù)R2分別為0.952、0.952、0.937、0.850和0.831,說明回歸方程擬合優(yōu)度較高,符合擬合要求。

表1 霧滴均勻性參數(shù)的曲線擬合

(2)由F檢驗可知,所有均勻性參數(shù)的回歸方程均有顯著值P=0.000<0.01,即拒絕H0∶b1= b2=0的假設(shè),表明50 μm≤D≤100 μm的霧滴占比、D<50 μm的霧滴占比以及DR、DW、RS與孔徑和壓力之間均存在極顯著線性回歸關(guān)系。

表2 回歸方程擬合

(3)由t檢驗可知,50 μm≤D≤100 μm的霧滴占比、D<50 μm的霧滴點比以及DR、DW、RS的回歸系數(shù)b0、b1和b2均有顯著值P=0.000<0.01,即拒絕H0∶b0=0、H0∶b1=0和H0∶b2=0的假設(shè),表明方程的回歸系數(shù)b0(常數(shù)項)、b1(孔徑系數(shù))和b2(壓力系數(shù))影響均極顯著。

回歸通過了F檢驗和t檢驗,且擬合優(yōu)度較高,表明本試驗建立的霧滴均勻性參數(shù)與壓力和孔徑的多元回歸模型是準確的。

表4 擬合的回歸系數(shù)及t檢驗

3 結(jié)論

本試驗主要圍繞果園管道恒壓噴霧霧滴的均勻性進行,通過測量管道恒壓噴霧中3種孔徑空心圓錐霧噴頭在8種壓力下的5種霧滴均勻性參數(shù)數(shù)據(jù),得出以下結(jié)論:(1)Lechler TR80-01C、TR80-02C和TR80-03C型噴頭在0.70~1.40 MPa壓力下,霧滴粒徑較一致,霧滴較均勻,當噴霧壓力大于0.80 MPa時,霧滴很均勻。其中,D<20 μm的霧滴(<0.538%)和D≥100 μm的霧滴(均<0.325%)可忽略不計,D<60 μm的霧滴占90.132%~99.234%;DR 為0.893~0.916;DW為13.097~34.566 μm;RS為0.428~1.070。(2)壓力越大、孔徑越小,霧滴越均勻。(3)50 μm≤D≤100 μm的霧滴占比、D<50 μm的霧滴占比以及DR、DW和RS均隨壓力呈現(xiàn)二次多項式變化規(guī)律,建立了5個均勻性參數(shù)的二次多項式模型,決定系數(shù)R2均達0.984以上。(4)50μm≤D≤100 μm的霧滴占比、D<50μm的霧滴占比以及DR、DW 和RS與孔徑和壓力均為二元線性關(guān)系,建立了5個均勻性參數(shù)的二元線性模型,模型決定系數(shù)R2分別為0.952、0.952、0.937、0.850和0.831。(5)驗證了研發(fā)管道恒壓噴霧裝置的重要性,對管道恒壓噴霧中噴頭的選型、噴霧壓力的設(shè)置及噴霧效果的優(yōu)化具有指導意義。壓力和孔徑對霧滴其他參數(shù)的影響、其他果園用噴頭霧滴均勻性參數(shù)的變化規(guī)律和實際農(nóng)藥對霧滴均勻性參數(shù)的影響有待進一步研究。

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(責任編輯 鄒移光)

Test and analysis of droplet uniformity for pipeline constant pressure spray in orchards

DAI Qiu-fang1,2,HONG Tian-sheng2,3,SONG Shu-ran1,2,CHEN Shan2,4,ZHANG Cheng3
(1. College of Electronic Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China;2. Division of Citrus Machinery,China Agriculture Research System,Guangzhou 510642,China;
3. College of Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China;4. Engineering Foundational Teaching and Training Center,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)

Droplet uniformity is one of the key measures of spray effect,and it is important to study the influences of pressure and pore diameter on droplet uniformity of hollow cone nozzle in pipeline constant spray. Two important aspects were researched with spray performance by test platform and laser particle analyzer,five parameters of droplet uniformity under three types of pore diameter and eight types of pressure were mearsured to get the cumulative distribution of droplet,and analyze the distribution and uniformity. The results showed that,under the testing pressure (0.70-1.40 MPa),droplet diameter was consistent and droplet was uniform. When the pressurewas more than 0.80 MPa,the spray effect was very high. The higher the pressure was,and the smaller the pore diameter of nozzle was,the more uniform the droplets would be. Droplets with diameter less than 20 μm (<0.538%)and more than 100 μm (<0.325%) could both be neglected,and the main droplets diameter was less than 60 μm (90.132%-99.234%). Diffusion ratio of droplets was 0.893-0.916. The relationships between five types of droplet uniformity parameters and pressure could all be described by quadratic polynomial equations (R2 were all more than 0.984),and meanwhile,five types of droplet uniformity parameters influenced by pressure and pore diameter could all meet the binary linear equations (R2was 0.952,0.952,0.937,0.850 and 0.831). The results verified that pipeline constant pressure spray could improve droplets uniformity,and meanwhile they provided valuable

for selecting nozzle,setting spray pressure and optimizing spray effect of pipeline constant pressure spray in orchards.

orchard;pipeline constant pressure spray;droplet uniformity;pore diameter;spray pressure

S275.3;S49

A

1004-874X(2016)07-0164-08

2016-04-11

廣東省自然科學基金(2015A030310398);國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(CARS-27);國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203016);廣東省“揚帆計劃”引進創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊專項(201312G06);廣東省科技計劃項目(2015B090901031)

代秋芳(1979-),女,博士,講師,E-mail:daiqiufang@scau.edu.cn

洪添勝(1955-),男,博士,教授,E-mail:tshong@scau.edu.cn

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