植保機械在線混合系統質量評價體系與研究

魏仕華 張遜 李羊林 李衛民

摘要 植保機械的混合均勻性直接影響施藥質量，而施藥質量對農藥的使用效果有著密切的聯系。該文提出了混合度的理論與測定方法，避免了用軌跡研究方法研究混合均勻性的煩雜的計算，比以往用均勻性來評定混合效果更科學合理，同時，對植保機械在線混合用的混合器與射流混合系統等進行了研究評估。

關鍵詞 植保機械；在線混合；射流混合器；混合度

中圖分類號 S220.2 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）19-341-02

1 混合度的概念

在線混合是植保機械的關鍵技術，而評價混合質量對植保機械的設計與研究有指導性意義。

植保機械一般沿用混合均勻性來評價混合效果，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機械或流動的方法使他們均勻分布在一起的單元操作，為了評估不同物性流體的宏觀混合程度或評估混合器的混合效果，需對混合液采樣分析[1-2]。對于混合器，混合的均勻程度主要體現在空間和時間2個方面，即在不同時間內混合器出口截面各組分流體微團空間分布情況。混合的均勻程度可用混合度表示。在某時刻當雙相混合液中只含有一種流體時，認為沒有混合，其混合度為0；當混合液中的一種流體的體積分數為其理想體積分數即混合器入口處體積流量分數時，認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間內混合液的混合度應計算或測量各時刻混合器出口截面各組分的均勻度[3-5]，根據混合器的結構特點，將整個混合器出口截面的均勻度用幾個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間內混合液的混合度。

由于研究的對象是雙組分流體，而他們混合后的體積等于這兩種液體各自體積之和。針對混合器連續操作的特點，令某時刻其出口較小截面的混合液中某一物料的瞬時體積分數即流量分數為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數，采用何種液相作為計算依據，其中，F1（t）和F2（t ）分別為靜態混合器出口取樣混合液中2組分在時刻t 時的體積流量。由此可以看出靜態混合器出口取樣混合液中某一組分的體積分數為一時間的函數，該函數的形式決定了靜態混合器混合效果的優劣[2，6]。在一定的混合時間Tm 內，取樣混合液的平均體積分數可以表示為

=1Tm∫Tm0P（t）dt=1Tm∫Tm0P（t）dt（3）

該組分瞬時體積分數的標準偏差S為

S=1Tm∫Tm0[P（t）-]2dt（4）

當然對非連續變量可用下式表示：

S=1nni=0（Pi-）2（5）

混合初始狀態時，某一組分流體體積分數的標準偏差S0 為

S0=F0（1-F0）（6）

式中：F0 為混合前某流體的流量分率。植保機械往往在初始狀態時，藥和水是分開的，故S0=1。

根據前面的討論，兩相流體的混合度可定義為

M=1-SS0（7）

該混合度的計算方法相當于對混合液進行連續采樣，提高了測量精度并減輕了試驗強度。

2 混合質量評價標準

植保機械混合的評價指標主要有3個方面。第一是混藥比q，植保機械相對來說往往需要較小的混合比，依據植保機械的要求，通常為0.5%～5%，過大和過小并不合適；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來評價[6]。

混合質量的高低對混合器來說，是一個重要的指標。通常用下列標準來評價混合器的質量。

由于植保機械藥液和水在混合前往往的分開的，故初始的標準偏差為S0=1

根據要求，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）。

對于2個系統串聯，如圖1所示，初始混合的標準偏差為S0，經第1系統混合后標準偏差為S1，混合度為M1，經第2系統混合后標準偏差為S2，混合度為M2，因此其總混合度為

3 各系統的評價

射流在線混合是植保機械的關鍵技術之一。利用射流混合技術組合成混合系統的方式有多種，作為總結，這里列舉了射流混合與自旋式管道混合器組成系統的幾種組合，并進行分析和評價。

評價的系統分別為：

（1）單射流系統；

（2）單射流加自旋式管道混合器系統；

（3）雙射流系統；

（4）雙射流加自旋式管道混合器系統。

3.1 單級射流混合系統 混合的第一種方式是采用單級射流泵進行混合。根據相關試驗，混藥比約為5%～20%左右，壓力降經優化后在0.6～0.7左右，其混合度目前沒有相關資料準確計算，其試驗由于隨機性較大，存在一定的困難，難以準確求出，而混合度的概念由于是該文初次提出，相關文獻也無所考證。根據植保機械相關測試資料和從業經驗，估計在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心的問題，在模擬結果和試驗結果中可以看出，射流泵欲得到較好的混合均勻性，必須有直徑較小和長度較長的混合管和較大的擴散角。但是，如果混合管長度過長、直徑過細，則會引起較大的壓力降，給射流泵的性能帶來影響。

因此，單級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、園林綠化等植保機械的使用。如需要更高的要求，有必要進一步的進行相關研究。

3.2 單級射流加自旋式管道混合器系統 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。由于兩者為串聯結構，其總混合度依據公式（8）為

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

這種結構能適合有較大壓力供給和混藥比要求不高的情況。

3.3 雙級射流混合系統 植保機械雙級射流裝置，保持了單射流裝置可在線混合等優點，同時，有混合均勻、壓力下降小、混藥充分，且混藥量可達到較小的比例等優點[8]。

由于雙級射流為串聯連接，這對混合均勻性來說，比單級射流進一步的提高。由于藥液經由射流輔泵經過第一次混合后，再由射流主泵進一步的混合，其混合均勻性相當于進行了2次混合。設單級射流泵的混合度為M1=0.8，則，雙級射流泵的混合度為

M=1-（1-M1）（1-M1）=0.96

混合度與單級射流加混合器相比稍差，但是，雙級射流的壓力降和混藥比2項指標要優于前者。其適合于對混合濃度均勻性要求不很高，而供給壓力不大、混合比較小（噴灑濃度較稀）的情況。

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

M=1-（1-M1）（1-M1）（1-M2）=0.995

其混合均勻性進一步有了提高。

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

同樣，由于混合器壓力損失較小，加混合器后可以認為壓力降與單一的雙級射流相比，沒有變化。

4 評價結果

依據上述的評價標準，分列如表2。植保機械可按各種單級射流指標值評價單級射流+混合器指標值評價雙級射流指標值評價雙級射流+混合器指標值評價壓力下降比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好不同的使用場合進行選擇。

由表2可以看出，雙級射流優于單級射流；雙級射流+混合器系統優于單級射流+混合器系統。

5 結論

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

提出了混合度的測定方法，避免了用軌跡研究方法研究混合均勻性的煩雜的計算，比以往用均勻性來評定混合效果更科學合理。

對植保機械幾種混合方法從壓力下降比、混藥比、混合均勻度進行了綜合評價，為植保機械設計提供了設計依據。

參考文獻

[1] 王林翔，陳鷹，路甬祥.靜態混合器混合效果的檢測方法[J].石油機械，1998，26（12）：20-23.

[2] 王宗勇，吳劍華，張春梅，等.靜態混合器混合效果的測定方法研究[J].沈陽化工學院學報，2006，20（4）：313-316.

[3] 趙建華，黃次浩.SMV靜態混合器的數值模擬[J].海軍工程大學學報，2002，14（6）：67-70.

[4] 欽秀賢.靜態混合器的應用及進展[J].石油化工，1995，24（2）：25-29.

[5] 齊輝.靜態混合器的作用原理及應用實例[J].電大理工，2006，226（1）：32-35.

[6] 李羊林，吳春篤，付錫敏.雙級射流混藥裝置的實驗研究[J].農業工程學報，2008，24（1）：172-174.