植保機(jī)械在線混合系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系與研究

魏仕華 張遜 李羊林 李衛(wèi)民

摘要 植保機(jī)械的混合均勻性直接影響施藥質(zhì)量，而施藥質(zhì)量對(duì)農(nóng)藥的使用效果有著密切的聯(lián)系。該文提出了混合度的理論與測(cè)定方法，避免了用軌跡研究方法研究混合均勻性的煩雜的計(jì)算，比以往用均勻性來(lái)評(píng)定混合效果更科學(xué)合理，同時(shí)，對(duì)植保機(jī)械在線混合用的混合器與射流混合系統(tǒng)等進(jìn)行了研究評(píng)估。

關(guān)鍵詞 植保機(jī)械；在線混合；射流混合器；混合度

中圖分類(lèi)號(hào) S220.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）19-341-02

1 混合度的概念

在線混合是植保機(jī)械的關(guān)鍵技術(shù)，而評(píng)價(jià)混合質(zhì)量對(duì)植保機(jī)械的設(shè)計(jì)與研究有指導(dǎo)性意義。

植保機(jī)械一般沿用混合均勻性來(lái)評(píng)價(jià)混合效果，其方法是將混合濃度的最大值與最小值之差除以平均值。即：

A（混合均勻性）=Pmax-PminP×100%

式中：Pmax—混合濃度最大值；

Pmin—混合濃度最小值；

P—平均值。

很顯然，這種方法不能完全反映混合效果的情況，只反映兩極值的平均情況。因而，該文提出混合度的概念。

混合是指物性不同的流體通過(guò)機(jī)械或流動(dòng)的方法使他們均勻分布在一起的單元操作，為了評(píng)估不同物性流體的宏觀混合程度或評(píng)估混合器的混合效果，需對(duì)混合液采樣分析[1-2]。對(duì)于混合器，混合的均勻程度主要體現(xiàn)在空間和時(shí)間2個(gè)方面，即在不同時(shí)間內(nèi)混合器出口截面各組分流體微團(tuán)空間分布情況。混合的均勻程度可用混合度表示。在某時(shí)刻當(dāng)雙相混合液中只含有一種流體時(shí)，認(rèn)為沒(méi)有混合，其混合度為0；當(dāng)混合液中的一種流體的體積分?jǐn)?shù)為其理想體積分?jǐn)?shù)即混合器入口處體積流量分?jǐn)?shù)時(shí)，認(rèn)為該兩種流體完全混合，其混合度為1。理論上要確定在一定的混合時(shí)間內(nèi)混合液的混合度應(yīng)計(jì)算或測(cè)量各時(shí)刻混合器出口截面各組分的均勻度[3-5]，根據(jù)混合器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將整個(gè)混合器出口截面的均勻度用幾個(gè)較小截面的均勻度代替，這樣由各小截面的均勻度即可得到一定混合時(shí)間內(nèi)混合液的混合度。

由于研究的對(duì)象是雙組分流體，而他們混合后的體積等于這兩種液體各自體積之和。針對(duì)混合器連續(xù)操作的特點(diǎn)，令某時(shí)刻其出口較小截面的混合液中某一物料的瞬時(shí)體積分?jǐn)?shù)即流量分?jǐn)?shù)為P（ t），即

P（ t）=dV1（t）dV1（t）+dV2（t）=F1（t）F1（t）+F2（t）（1）

或

P（ t）=dV2（t）dV1（t）+dV2（t）=F2（t）F1（t）+F2（t）（2）

式（1）或式（2）的選擇主要取決于理想體積分?jǐn)?shù)，采用何種液相作為計(jì)算依據(jù)，其中，F(xiàn)1（t）和F2（t ）分別為靜態(tài)混合器出口取樣混合液中2組分在時(shí)刻t 時(shí)的體積流量。由此可以看出靜態(tài)混合器出口取樣混合液中某一組分的體積分?jǐn)?shù)為一時(shí)間的函數(shù)，該函數(shù)的形式?jīng)Q定了靜態(tài)混合器混合效果的優(yōu)劣[2，6]。在一定的混合時(shí)間Tm 內(nèi)，取樣混合液的平均體積分?jǐn)?shù)可以表示為

=1Tm∫Tm0P（t）dt=1Tm∫Tm0P（t）dt（3）

該組分瞬時(shí)體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差S為

S=1Tm∫Tm0[P（t）-]2dt（4）

當(dāng)然對(duì)非連續(xù)變量可用下式表示：

S=1nni=0（Pi-）2（5）

混合初始狀態(tài)時(shí)，某一組分流體體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差S0 為

S0=F0（1-F0）（6）

式中：F0 為混合前某流體的流量分率。植保機(jī)械往往在初始狀態(tài)時(shí)，藥和水是分開(kāi)的，故S0=1。

根據(jù)前面的討論，兩相流體的混合度可定義為

M=1-SS0（7）

該混合度的計(jì)算方法相當(dāng)于對(duì)混合液進(jìn)行連續(xù)采樣，提高了測(cè)量精度并減輕了試驗(yàn)強(qiáng)度。

2 混合質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

植保機(jī)械混合的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有3個(gè)方面。第一是混藥比q，植保機(jī)械相對(duì)來(lái)說(shuō)往往需要較小的混合比，依據(jù)植保機(jī)械的要求，通常為0.5%～5%，過(guò)大和過(guò)小并不合適；第2是壓力下降比h，壓力損失越小越好，第3是混合均勻性，在文中選擇用混合度M來(lái)評(píng)價(jià)[6]。

混合質(zhì)量的高低對(duì)混合器來(lái)說(shuō)，是一個(gè)重要的指標(biāo)。通常用下列標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)混合器的質(zhì)量。

由于植保機(jī)械藥液和水在混合前往往的分開(kāi)的，故初始的標(biāo)準(zhǔn)偏差為S0=1

根據(jù)要求，2種流體的混合度可定義為

M=1-SS0

其中的S定義參照前章公式（1）～（6）。

對(duì)于2個(gè)系統(tǒng)串聯(lián)，如圖1所示，初始混合的標(biāo)準(zhǔn)偏差為S0，經(jīng)第1系統(tǒng)混合后標(biāo)準(zhǔn)偏差為S1，混合度為M1，經(jīng)第2系統(tǒng)混合后標(biāo)準(zhǔn)偏差為S2，混合度為M2，因此其總混合度為

3 各系統(tǒng)的評(píng)價(jià)

射流在線混合是植保機(jī)械的關(guān)鍵技術(shù)之一。利用射流混合技術(shù)組合成混合系統(tǒng)的方式有多種，作為總結(jié)，這里列舉了射流混合與自旋式管道混合器組成系統(tǒng)的幾種組合，并進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

評(píng)價(jià)的系統(tǒng)分別為：

（1）單射流系統(tǒng)；

（2）單射流加自旋式管道混合器系統(tǒng)；

（3）雙射流系統(tǒng)；

（4）雙射流加自旋式管道混合器系統(tǒng)。

3.1 單級(jí)射流混合系統(tǒng) 混合的第一種方式是采用單級(jí)射流泵進(jìn)行混合。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)，混藥比約為5%～20%左右，壓力降經(jīng)優(yōu)化后在0.6～0.7左右，其混合度目前沒(méi)有相關(guān)資料準(zhǔn)確計(jì)算，其試驗(yàn)由于隨機(jī)性較大，存在一定的困難，難以準(zhǔn)確求出，而混合度的概念由于是該文初次提出，相關(guān)文獻(xiàn)也無(wú)所考證。根據(jù)植保機(jī)械相關(guān)測(cè)試資料和從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，估計(jì)在0.7～0.85左右，取其平均值為0.8。因此，射流泵的混合均勻性更是值得擔(dān)心的問(wèn)題，在模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，射流泵欲得到較好的混合均勻性，必須有直徑較小和長(zhǎng)度較長(zhǎng)的混合管和較大的擴(kuò)散角。但是，如果混合管長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)、直徑過(guò)細(xì)，則會(huì)引起較大的壓力降，給射流泵的性能帶來(lái)影響。

因此，單級(jí)射流泵只能適合有較大壓力供給和混合均勻性要求不高的情況，如楊樹(shù)、園林綠化等植保機(jī)械的使用。如需要更高的要求，有必要進(jìn)一步的進(jìn)行相關(guān)研究。

3.2 單級(jí)射流加自旋式管道混合器系統(tǒng) 而自旋式管道混合器的混合度往往在94%～98%左右，取其平均值為0.95，因此，其與射流混合裝置（設(shè)M1為0.80）配合使用，可以使混合均勻性有較大程度的提高。由于兩者為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其總混合度依據(jù)公式（8）為

而其混藥比沒(méi)有變化，壓力下降值由于自旋式管道混合器的本身壓力下降較低，可以認(rèn)為與單獨(dú)的射流裝置相比沒(méi)有變化。

這種結(jié)構(gòu)能適合有較大壓力供給和混藥比要求不高的情況。

3.3 雙級(jí)射流混合系統(tǒng) 植保機(jī)械雙級(jí)射流裝置，保持了單射流裝置可在線混合等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，有混合均勻、壓力下降小、混藥充分，且混藥量可達(dá)到較小的比例等優(yōu)點(diǎn)[8]。

由于雙級(jí)射流為串聯(lián)連接，這對(duì)混合均勻性來(lái)說(shuō)，比單級(jí)射流進(jìn)一步的提高。由于藥液經(jīng)由射流輔泵經(jīng)過(guò)第一次混合后，再由射流主泵進(jìn)一步的混合，其混合均勻性相當(dāng)于進(jìn)行了2次混合。設(shè)單級(jí)射流泵的混合度為M1=0.8，則，雙級(jí)射流泵的混合度為

M=1-（1-M1）（1-M1）=0.96

混合度與單級(jí)射流加混合器相比稍差，但是，雙級(jí)射流的壓力降和混藥比2項(xiàng)指標(biāo)要優(yōu)于前者。其適合于對(duì)混合濃度均勻性要求不很高，而供給壓力不大、混合比較小（噴灑濃度較?。┑那闆r。

3.4 雙級(jí)射流加自旋式管道混合器系統(tǒng) 雙級(jí)射流自身的壓力下降指標(biāo)和混合度及混藥比均優(yōu)于單級(jí)射流系統(tǒng)和單級(jí)射流加混合器系統(tǒng)，但是其混合度為96%左右，雖基本能滿足植保機(jī)械的基本要求，但其混合度相對(duì)植保機(jī)械的要求仍有一定的差距。如與自旋式管道混合器串聯(lián)使用，其混合度為

M=1-（1-M1）（1-M1）（1-M2）=0.995

其混合均勻性進(jìn)一步有了提高。

可以看出，雙級(jí)射流混藥裝置加自旋式管道混合器所構(gòu)成的系統(tǒng)，其所有性能參數(shù)完全滿足植保機(jī)械安全性能的要求。是理想的植保機(jī)械在線安全混藥裝置。

同樣，由于混合器壓力損失較小，加混合器后可以認(rèn)為壓力降與單一的雙級(jí)射流相比，沒(méi)有變化。

4 評(píng)價(jià)結(jié)果

依據(jù)上述的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分列如表2。植保機(jī)械可按各種單級(jí)射流指標(biāo)值評(píng)價(jià)單級(jí)射流+混合器指標(biāo)值評(píng)價(jià)雙級(jí)射流指標(biāo)值評(píng)價(jià)雙級(jí)射流+混合器指標(biāo)值評(píng)價(jià)壓力下降比0.5～0.7一般0.5～0.7一般0.7～0.90較好0.75～0.90較好混藥比3%～20%較差3%～20%較差0.5%～10%較好0.5%～10%較好混合均勻度0.8較差0.98較好0.96較好0.995好不同的使用場(chǎng)合進(jìn)行選擇。

由表2可以看出，雙級(jí)射流優(yōu)于單級(jí)射流；雙級(jí)射流+混合器系統(tǒng)優(yōu)于單級(jí)射流+混合器系統(tǒng)。

5 結(jié)論

該文定義了植保機(jī)械在線混合器測(cè)量與計(jì)算混合度的計(jì)算公式，該公式適用于2相流體的混合，其計(jì)算結(jié)果為0～1 的無(wú)量綱值，值的大小與混合效果密切相關(guān)，為植保機(jī)械混合均勻性的研究提供了理論依據(jù)。

提出了混合度的測(cè)定方法，避免了用軌跡研究方法研究混合均勻性的煩雜的計(jì)算，比以往用均勻性來(lái)評(píng)定混合效果更科學(xué)合理。

對(duì)植保機(jī)械幾種混合方法從壓力下降比、混藥比、混合均勻度進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，為植保機(jī)械設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

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