Исследование устройства для обработки сеянцев с использованием переохлажденного пара

Введение . Эффективность выращивания сеянцев промышленно ценных хвойных пород деревьев в лесных механизированных питомниках в большей степени зависит от качества выполнения операций по уходу за ними и от технологии подкормки [1, 2]. В качестве подкормок вносятся азотные, калийные и фосфорные удобрения. Подкормки подразделяются на внекорневые и корневые, в сухом виде и в виде водного раствора, причем концентрации не более 0,3 %. Особую эффективность при подкормке будет иметь система подкормок, учитывающая биологические потребности растений. Срок внесения подкормок эффективнее всего определять по наступлению определенных фенофаз у посадочного материала.

Внекорневая подкормка сеянцев хвойных пород деревьев жидкими препаратами является технически сложным и трудоемким процессом, обусловленным не только сложностью геометрической формы объекта обработки, но и плохой смачиваемостью растений водными растворами и отсутствием прочной механической связи при контакте жидкости с поверхностью растений. Плохая смачиваемость характеризируется большим краевым углом смачивания и снижает эффективность обработки сеянцев за счет малой площади контакта капли препарата с поверхностью растения, а отсутствие прочной механической связи при контакте обусловлено низкой адгезией.

Материалы и методы исследований . Учитывая вышесказанное, а также тот факт, что существующее оборудование для нанесения жидких химических препаратов на поверхность растений не отвечает современным техническим и экологическим требованиям [3], было разработано устройство для обработки сеянцев с использованием переохлажденного пара, подана заявка на изобретение и получен патент Российской Федерации [5]. Применение устройства должно повысить эффективность обработки сеянцев хвойных пород жидкими химическими препаратами контактным методом с использованием переохлажденного пара в качестве средства повышения гидрофильности поверхности растений.

Также было разработано устройство для обработки сеянцев с использованием переохлажденного пара [5, 6, 7, 8]. Изобретение относится к лесохозяйственному машиностроению и предназначено для обработки сеянцев хвойных пород жидкими препаратами. Данное изобретение решает задачу повышения качества обработки сеянцев. На рис. 1 представлен вид устройства сверху, на рис. 2 – сбоку.

Устройство для обработки сеянцев с использованием переохлажденного пара состоит из герметичного контейнера, выполненного в виде полого диска 1, подвешенного на центральном кулачковом шарнире 2. Диск 1 связан с корпусом устройства 3, имеющим круглую форму, по средствам восьми пружин 4 и имеет восемь электромагнитов 5, попарно соединенных электропроводами 6 с расположенными напротив восемью электромагнитами 7, установленными на корпусе 3 устройства, жестко соединенном с рамой трактора 8 через полураму 9. Каждая пара расположенных напротив друг друга электромагнитов 5 и 7 соединена через электропровод 10 с реле 11 и источником тока 12. В нижней части диска 1 в несколько рядов по всей окружности через равное расстояние установлены съемные фитили 13 для поддержания многотехнологичности процесса, заливной клапан 14 для регулирования уровня рабочей жидкости в диске 1. К диску 1 подведен трубопровод 15 для подачи жидкости в полость диска 1.

Рис. 1. Вид сверху устройства для обработки сеянцев с использованием переохлажденного пара

Рис. 2. Вид сбоку устройства для обработки сеянцев с использованием переохлажденного пара

В передней части устройства по ходу трактора имеется пластина 16, жестко соединенная с корпусом 3, на которой смонтирована парогенерирующая установка 17. Устройство для обработки сеянцев с использованием переохлажденного пара работает следующим образом.

При движении машины со смонтированным на ней устройством электрический ток от источника 12 поступает на реле 11, осуществляющее поочередное последовательное включение расположенных напротив друг друга пар электромагнитов 5 и 7, соединенных между собой электропроводами 6. Поочередное включение электромагнитов 5 и 7 приводит к их срабатыванию и отклонению диска 1 в сторону включенной пары электромагнитов 5 и 7, тем самым заставляя диск 1 совершать круговые колебательные движения внутри корпуса 3 устройства по или против часовой стрелки в зависимости от последовательности включения пар электромагнитов 5 и 7 реле 11. Круговые колебания диска 1, амплитуда которых регулируется по средствам пружин 4, передаются фитилям 13, которые обрабатывают сеянцы. Рабочая жидкость из основной емкости через трубопровод 15 подается в полость диска 1, а уровень заполнения полости диска 1 регулируется при помощи заливного клапана 14.

При поступательном движении машины вдоль гряды с сеянцами парогенерирующая установка 17, смонтированная в передней части устройства по ходу трактора на пластине 16, подает сгенерированный и охлажденный до температуры 70ºС водяной пар на сеянцы, которые впоследствии обрабатываются фитилями 13. В результате взаимодействия переохлажденного пара с поверхностью растения увеличивается ее гидрофильность, то есть капля рабочей жидкости, нанесенная фитилями 13, растекается по поверхности сеянца с меньшим краевым углом смачивания, чем по сухой поверхности. Это увеличивает площадь обработанной поверхности сеянца без увеличения расхода рабочей жидкости. А круговое колебательное движение диска 1 с установленными на нем фитилями 13 приводит к всестороннему взаимодействию последних с сеянцами, что улучшает качество их обработки.

Результаты исследований и их обсуждение . В ранее проведенных авторами статьи исследованиях было применено уравнение Ребиндера-Касье к описанию способа повышения гидрофильности поверхности сеянцев хвойных пород путем нанесения на твердую поверхность вещества, способствующего увеличению молекулярного притяжения [4, 9]. Получаемая в результате этого гетерогенная поверхность сеянца имеет следующий состав: одна из неоднородных поверхностей является поверхностью растения с краевым углом смачивания 0 раст , а вторая состоит из небольших участков конденсированной воды, имеющей краевой угол смачивания с водорастворимыми растворами 0 _воды = 0°.

В результате было получено выражение:

⁰ обр = ^{аГССо р} - ^{( 1} - c ^OS0 раст ) + CoS ⁰ раст ]                       (1)

, где 0 обр – равновесный краевой угол смачивания гетерогенной поверхности сеянца, получаемой нанесением на поверхность участков воды, °;

(р - относительная доля площади поверхности растения, занимаемая участками конденсата.

Выражение (1) показывает зависимость равновесного краевого угла смачивания гетерогенной поверхности растения 0 _обр , имеющего на поверхности небольшие участки конденсированной воды от краевого угла смачивания свободной поверхности растения 0 _раст и относительной доли площади растения р , занимаемой участками конденсата.

Относительная доля площади поверхности растения занимаемая участками конденсата будет равна:

S

Р =      ' ,                                                     (2)

раст где   S раст – площадь поверхности растения;

S – площадь растения, занимаемая конденсатом.

Предположив, что единичный участок конденсированной на поверхности воды примет форму полусферы, тогда:

n

S кон = £ S^ ,                             (3)

i = 1

где S^сф - площадь основания i- го сферического единичного участка конденсата;

n – количество единичных участков конденсации на поверхности растения.

Площадь основания сферического единичного участка конденсата можно определить через площадь круга:

S- ф = nR ,                                     (4)

где R - радиус круга i -й сферы.

С другой стороны, объем полусферы зависит от ее радиуса:

Выразив радиус, получим:

л 2

V,сф = - пR_l ³

i         ₃ i .

R i

_{3 V} сф

- п

Подставив выражение (6) в (4) и проведя математические преобразования, будем иметь:

s^ = п

( з V сф ^{1 3}

< ^{- п} >

■

Тогда с учетом формул (3) и (7) выражение (2) примет вид:

^ =

п     ( 1,5 V^с ф 1 ³

^

S раст i = 1 к ^П 7

А выражение (1) преобразуется:

обр

= arccos

S

п

раст

n

Z

i = 1

( 1,5V^сф 1 ³

к п 7

(1 —COS0 J+COS0

раст           раст

Уравнение (9) выражает зависимость равновесного краевого угла смачивания гетерогенной поверхности сеянца, получаемой нанесением на поверхность переохлажденного пара от краевого угла смачивания растения, площади его поверхности и суммарного объема единичных участков конденсата.

Теоретические исследования данного выражения позволили получить значения равновесного краевого угла смачивания гетерогенной поверхности сеянца кедра сибирского, получаемой нанесением на нее переохлажденного водяного пара в зависимости от технических характеристик пара и продолжительности его воздействия на поверхность. Результаты вычислений представлены в таблице. В процессе исследований краевой угол смачивания 0„^„ был принят равным 69° [4]. раст

Равновесный краевой угол смачивания гетерогенной поверхности сеянца кедра сибирского

Равновесный краевой угол смачивания, °	Объем единичного участка конденсированной воды, мм3	Количество участков конденсации на поверхности растения
5-15	1,4-0,8	60-40
15-25	1,2	40
25-35	1-0,6	80-40
35-45	0,8-0,2	80-40
45-55	1-0,2	60-20
55-65	0,6-0,2	40-20

Согласно проведенным исследованиям, наилучшим показателям гидрофильности гетерогенной поверхности сеянца кедра сибирского соответствует объем единичного участка конденсированной воды, равный 1,4 мм3, и количество единичных участков конденсации на поверхности растения, равное 60.

Выводы

• 1.    Для улучшения качества обработки сеянцев хвойных пород жидкими препаратами было разработано устройство для обработки сеянцев с использованием переохлажденного пара [5].

• 2.    Полученное уравнение выражает зависимость равновесного краевого угла смачивания гетерогенной поверхности сеянца, получаемой нанесением на поверхность переохлажденного пара от краевого угла смачивания растения, площади его поверхности и суммарного объема единичных участков конденсата.

• 3.    Наилучшим показателям гидрофильности гетерогенной поверхности сеянца кедра сибирского соответствует объем единичного участка конденсата, равный 1,4 мм³, и количество единичных участков конденсации на поверхности растения, равное 60.