Borsó vetőmagvak aerodinamikai jellemzői Nagyné Polyák Ilona1-Csizmazia Zoltán2 1
Debreceni Egyetem Agrártudomány Centrum Agrárgazdasági és Vidékfejlesztési Kar Gazdasági- és Agrárinformatikai Tanszék 2 Debreceni Egyetem Agrártudomány Centrum Mezőgazdaságtudományi Kar Géptani Tanszék Összefoglaló
A mezőgazdasági gépek tervezésénél elengedhetetlen a gépek által kezelt anyagok jellemzőinek ismerete. Nem véletlen, hogy a kutatások egyik fontos területe lett a mezőgazdaságban alkalmazott anyagok tulajdonságainak, elsősorban fizikai jellemzőinek vizsgálata és elemzése (Bilanski 1971, Hofstee et al 1990, Law et al 1973, Mennel et al 1963, Polyák 2000). Ezek közül is kiemelt jelentőséggel bírnak a szemcsés anyagok (pld. magvak), amelyek az anyagmozgatás, a vetés, a betakarítás, a tisztítás, a szárítás, a feldolgozás során a legkülönbözőbb gépekkel, eszközökkel kerülnek kapcsolatba. A vetőmagvak fizikai jellemzőit természetesen korábban is vizsgálták. A kutatási témákban azonban újra és újra megjelennek, mert a mérési módszerek tökéletesítésével, a mérőeszközök pontosságának növekedésével, a számítástechnika, a képfeldolgozás fejlődésével az anyagok tulajdonságai és azok különböző hatása egyre pontosabban meghatározható és elemezhető. Ugyanakkor ezek a jellemzők a növények nemesítése során is jelentős változásokon mennek keresztül és feltételezhetően fajta specifikusak (Neményi et al 1985). A jelen munkánkban a konzervipari célra termesztett zöldborsó (Tyrkis) vetőmagját vizsgáltuk. A vizsgálat célja a vetőmag fizikai jellemzőinek meghatározása az érintett berendezések és gépek fejlesztésének támogatása érdekében. A vetőmagvak tulajdonságai közül az alábbiak vizsgálatára és elemzésére került sor: − − − − −
a magvak mérete, méreteloszlása; a magvak alaki jellemzői; a magvak tömege és sűrűsége; a magvak súrlódási jellemzői (rézsűszög, súrlódás felületen, belső súrlódás); a magvak aerodinamikai jellemzői (alaki jellemzők, légellenállási tényező).
A fenti jellemzők közül most a magvak aerodinamikai jellemzőivel foglalkozunk részletesebben. Vizsgálatainkhoz a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomány Egyetem Áramlástani Tanszékével függőleges légcsatornát fejlesztettünk (Csizmazia et al. 2000). Az előadás a fejlesztett berendezést és a vizsgálatok eredményét mutatja be. Munkánkat az OTKA T037921 és az NKFP-4/030/2001 számú kutatási témák támogatták.
– 134 –
Bevezetés A mezőgazdaságban használt anyagok fizikai jellemzőinek vizsgálatával már a múlt század második felében foglalkoztak. Jelentősebb kutatások azonban a jelen század közepén indultak. A szabálytalan alakú testek (pl. magvak) jellemzésére meg kell határozni méretüket, alakjukat, tömegüket, térfogatsúlyukat és sűrűségüket. Emellett fontos ismerni súrlódási és aerodinamikai tulajdonságaikat. A fenti jellemzők meghatározására az irodalomban eltérő módszerek ismertek. A hazai szerzők közül Sitkei (1985) részletesen foglakozik a mezőgazdasági anyagok fizikai és mechanikai tulajdonságaival. A mezőgazdasági gépek által kezelt anyagok fizikai jellemzőinek ismerete elengedhetetlen a gépek tervezését megelőző modellezésnél és a tervezésnél egyaránt. Kiemelt jelentőséggel bírnak a szemcsés anyagok (pl. magvak), amelyek az anyagmozgatás, a vetés, a betakarítás, a tisztítás, a szárítás, a feldolgozás során a legkülönbözőbb gépekkel, eszközökkel kerülnek kapcsolatba. Jelen munkánkban a konzervipari célra termesztett zöldborsó (Tyrkis) vetőmagot vizsgáltuk. A vizsgálat célja a vetőmag fizikai jellemzőinek meghatározása az érintett berendezések és gépek fejlesztésének támogatása érdekében. A vetőmagvak tulajdonságai közül az alábbiak vizsgálatára és elemzésére került sor: − − − − −
a magvak mérete, méreteloszlása; a magvak alaki jellemzői; a magvak tömege és sűrűsége; a magvak súrlódási jellemzői (rézsűszög, súrlódás felületen, belső súrlódás); a magvak aerodinamikai jellemzői (alaki jellemzők, légellenállási tényező).
A fentiekből az aerodinamikai jellemzőkkel kapcsolatos eredményeket ismertetjük. Munkánkat az OTKA T037921 és az NKFP-4/030/2001 számú kutatási témák támogatták. Anyag és módszer A borsó vetőmagvak (105 magból álló minta) méretének pontos meghatározása szabálytalan alakjuk miatt bonyolult feladat. Ezért a vetőmagvak pontos leírásához három egymásra merőleges méretét 0,01 mm pontossággal megmértük (hosszúság, szélesség, vastagság). Meghatároztuk a magvak méreteloszlást, keresztmetszetét, gömbalakúságát. A vizsgált borsó vetőmag levegőben történő mozgását számos fizikai jellemző befolyásolja, ezek közül a légellenállási tényező a legfontosabb. 0,1 mg pontossággal meghatároztuk a magvak egyedi tömegét. A magvak nedvességtartalmát 3 x 25 g mintán, 103 + 1 oC hőmérsékleten, 72 óra szárítási idővel határoztuk meg. A vizsgálatok alatt a laboratórium hőmérsékletét 20 oC-on tartottuk, 25-35% relatív páratartalom mellett. Vizsgálatainkhoz a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Áramlástani Tanszékével függőleges légcsatornát fejlesztettünk. Az előadás a fejlesztett berendezést és a vizsgálatok eredményét mutatja be. A mérőberendezés műszaki leírása A mérőberendezés az 1. ábrán látható. A mérőszakaszba változtatható fordulatszámú radiális ventilátor biztosítja a légáramot. A ventilátorból a levegő egyenletesítő kamrába – 135 –
jut, amelyben egyenirányító rácsok és sziták helyezkednek el. A kamrából egy negyed kör alkotójú konfúzoron keresztül jut a levegő a sebesség mérő csőszakaszba, amelynek falán statikus és dinamikus nyomás mérésére szolgáló kivezetés teszi lehetővé a ferdecsövű manométer csatlakoztatását. A ferdecsövű manométer alkalmazását az indokolta, hogy - szemben a kereskedelemben elérhető áron kapható nyomás távadókkal - a minimális sebességhez tartozó dinamikus nyomás (15 [Pa]) megbízható mérésére is alkalmas. Amennyiben ismerjük az atmoszférikus nyomást (pa [Pa]) és megmérjük az áramló levegő hőmérsékletét (T [K]) az R = 287J/kg/K gázállandóval meghatározható az áramló levegő sűrűsége. Ennek és a sebességmérő csőszakasszal mért dinamikus nyomásnak pdin [Pa] az ismeretében a függőleges mérőcső belépő keresztmetszetében számolható az 2 átlagsebesség: vo = k ⋅ pdi n [m / s ] ahol: k a mérőszakaszra jellemző állandó,
ρ
értéke k = 0,985. Az egyedülálló szemcse mérésére alkalmas mérőcsőben a sebesség hőgömbös áramlásisebességmérővel is meghatározható. A mérőcső 400 mm hosszú szakaszán levegő kibocsátására szolgáló furatok találhatók, amelyek hatására a csőben lévő sebesség az adott csőszakaszon közel lineárisan kb. 20 %-kal csökken. A sebességeloszlás a hőgömb segítségével ellenőrizhető. A mérőcsőből kilépő levegő ütközéses leválasztóba, vagy a szemcséket leválasztó ciklonba kerül. Az ütközéses leválasztó áramlási ellenállása egy állítható ütközőlap helyzetének függvényében változik, és ez kihat a mérőcső furatain kilépő levegő mennyiségére. A ventilátor fordulatszámának szabályozása egy meghatározott feszültség lépcsőket előállító szabályozóval és ezzel sorba kötött fokozatmentes tirisztoros szabályozóval történik. A két legmagasabb (230V és 170V) feszültség fokozattal és a fokozatmentes szabályozóval 5-15 m/s légsebesség tartomány állítható be. A mérőszakasz belépő nyílásánál mérhető sebességeket és a hozzá tartozó beállításai adatokat 170V és 230V sebességfokozatban az 1.táblázat tartalmazza. 1.táblázat Az egyes feszültségfokozatokhoz tartozó légsebesség tartományok Mérőcső Szita Feszültség Sebességtartomány fokozat U[V] v[m/s] Szemcsehalmaz mérésére van 170 2,5-12,0 230 7,0-14,0 Egy szemcse mérésére van 170 2,5-14,0 230 7,0-16,0 nincs 170 2,0-17,0 230 8,0-20,5
– 136 –
A ventillátor légszállítása stabil, a maximális sebességingadozás 0,5%-on belül volt. Megvizsgáltuk a kétféle szemcseleválasztó áramlási ellenállását. A sebességmérő csőszakasszal megmértük az áramló közeg dinamikus nyomását (pd), és a külső nyomáshoz képesti nyomáskülönbséget, ami a mérőcső, a csőív és a leválasztó együttes p’ veszteségével egyenlő. A ζ=p’/pd veszteségtényezőre az ütközéses leválasztónál ζ=1.06 a ciklon leválasztónál ζ=4.88 adódott. Megvizsgáltuk az ütközéses leválasztó ellenállását az ütközőlap helyzete függvényében (2. táblázat). 2. táblázat Ütközéses leválasztó veszteségtényezője Veszteségtényező Sorszám Rögzítő csavar állása ζ 1 8 0,884 2 10 0,835 3 12 0,844 4 14 0,868 5 16 1,047 6 18 1,365 7 20 1,641 8 22 2,812 9 24 7,079 A táblázat alapján megállapítható, hogy az ütközőlap állításával egyszerűen növelhető a leválasztó ellenállása, és ezzel az egyedülálló szemcse mérésénél a mérési szakaszban a sebesség csökkenés mértéke.
v [m/s] átlagos légsebesség
A sebességmegoszlások vizsgálata 25
20
15
L=62 mm
L=160 mm
L=265 mm
L=365 mm
20
30
40
10
5
0 0
10
50
T[mm] csőfaltól mért távolság
v [m/s] átlagos légsebesség a keresztmetszetben
2.ábra. Sebességmegoszlás a mérőcsőben 18 v0 = 16,65
15
v0 = 14,40 12 v0 = 10,68 9 v0 = 7,00 6 3 0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
L[mm] az alsó furatsortól mért távolság
3.ábra. Sebességmegoszlás határréteg nélkül
Az áramlás pamutszállal történő láthatóvá tételével megállapítottuk, hogy az egyenirányító működése megfelelő: a mérőcsőből kilépő közeg sebességének iránya párhuzamos a mérőcső tengelyével. A perforált falú csőben, a változó sebességű mérőszakasz különböző metszeteiben mért sebességmegoszlást mutatja a 2.ábra. Ha a határrétegen kívül mért értékeket a mérőszakasz magassága függvényében ábrázoljuk, a 3.ábrán látható diagrammot kapjuk. A diagrammon felvittük négy kezdeti sebességnél a hőgömbbel mért sebességek eloszlását. Látható, hogy a sebesség a mérőcső tengelye mentén jó közelítéssel lineárisan változik, és a sebesség teljes mérőszakasz menti csökkenése megközelíti a számításainknál megcélzott 20% körüli értéket.
– 137 –
v/vo [-] A sebesség változása a mérőszakasz mentén
A 4.ábrán a dimenzió nélküli sebességcsökkenést ábrázoltuk a csökkenő sebességű szakasz hosszának függvényében. A dimenzió nélküli sebességhez a perforációt megelőző szakasz sebességét (vo) választottuk, amelyet a nyomásmérőn leolvasott pdin nyomáskülönbségből számolhatunk. A mérési pontokra lineáris regresszióval L[mm] az alsó furatsortól mért távolság egy egyenest illesztettünk: 4.ábra. Dimenzió nélküli sebességváltozás v = −0,000385 L + 0,97 vo Ahol L a perforáció kezdetétől mért távolság. A szemcse helyzetét (L[mm]) lemérve, az áramlási sebesség a fenti összefüggésből jó közelítéssel kiszámítható. 1,0
v/vo=-0.000385*L[mm]+0.97
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0
50
100
150
200
250
300
350
400
A légsebesség mérő eszközök kalibrálása vr [m/s] valóságos légsebesség
A hőgömb anemométert forgóállvány és szélcsatorna segítségével kalibráltuk (5.ábra). A mérőműszeren leolvasott vle[m/s] és a valóságos vval[m/s] között a mérési pontokra lineáris regresszióval az 1-22 [m/s] sebességtartományban az alábbi összefüggést kaptuk: vval = 1,172 ⋅ vl e [m / s ] v [m/s] a hőgömb kijelzőjén leolvasható A ferdecsövű mikromanométer osztással légsebesség ellátott üvegcsövén leolvasott kitérésből 5.ábra. A hőgömb kalibrációs görbéje (L[osztás]) az üvegcső dőlésétől függő, és a mikromanométeren feltüntetett áttétel (1:2, 1:5, 1:10), valamint a mérőfolyadék sűrűségének ismeretében határozhatjuk meg a mért nyomáskülönbséget Pa mértékegységben: p’ [Pa] = K · L [osztás]. A 3.táblázatban adtuk meg a különböző hajlásszögekhez (áttételekhez) tartozó K értékeket. 25
vr = 1,172 vi [m/s]
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
i
A ferdecsövű mikromanométer átszámítási állandói Áttétel Szorzótényező: K: [Pa/osztás] 1:2 4,07 1:5 1,63 1:10 0,815 1:25 0,326
3.táblázat
Eredmények A vizsgált minták átlagos nedvességtartalma 9,27% volt. A minta további jellemzőit az 4. táblázat tartalmazza.
– 138 –
4. táblázat
A vizsgált minta főbb jellemzői Értékek Legkisebb D1 5,82 D2 5,17 D3 4,85 Gömbalakúság 0,84 Magvak tömege 0,114 Légsebesség 10,78 Légellenállási tényező 0,5922
Legnagyobb 8,27 7,6 7,23 0,97 0,346 13,94 0,7914
Közepes 7,5 6,62 6,42 0,92 0,253 12,07 0,7169
Szórás 0,51 0,44 0,40 0,02 0,045 0,44 0,0429
Az eredmények értékelése, javaslatok A vizsgált borsó gömbalakúsága 0,84 és 0,97 közé esik, ami azt jelenti, hogy a minta elemei többnyire közelítik a gömb alakot. A vizsgált borsó lebegtetési sebessége 11-14 m/s között változik. Nem lehet tehát a lebegtetési sebességet egy értékkel jellemezni. Zöldborsó 14
Légsebesség [m/s]
12 10
2
y = -0,0316x + 0,8828x + 7,6943 2 R = 0,7192
8 6 4 2 0 0,0
0,8
1,6
2,4
3,2
4,0
4,8
5,6
6,4
7,2
8,0
8,8
Tömeg / legnagyobb keresztmetszet [g/mm2]
Fontos megállapítás, hogy a vizsgált borsó vetőmag esetén a lebegtetési sebesség a legszorosabb összefüggést a legnagyobb magkeresztmetszetre eső tömeggel (R=0,8480), (6. ábra), a magvak tömegével (R=0,7439), a legkisebb átmérővel (R=0,7307), valamint a két kisebb átmérő szorzatával (R=0,7109) mutat.
6.ábra. A légsebesség és a legnagyobb magkeresztmetszetre eső tömeg összefüggése
A fenti jellemzők ismerete az anyagmozgató, a vető, a betakarító, a tisztító, a szárító, a feldolgozó stb. gépek fejlesztői, gyártói számára hasznos. Irodalom Bilanski W K. 1971 Aerodynamic properties of agricultural products research, past and present. ASAE Paper No. 71-846, ASAE, St. Joseph, Mich. 49085. Csizmazia Z, I.ajos T, Marshall J, Polyák N I. 2000. Új rendszerű légcsatorna fejlesztése. Mezőgazdasági Technika. 41. évf. 9. sz. 2-5.p. Hofstee J W, Huisman W, Speelman L. 1990. Measuring the influence of physical properties of fertiliser on the motion of fertiliser particles. AgEng,92, Uppsala, June 1-4, 1990. Law S E, Collier J A. 1973. Aerodynamic resistance coefficients of agricultural particulate determined by elutriation. Transactions of the ASAE 5, pp.918-922. Mennel R M, Reece A R. 1963. The theory of the centrifugal distributor, III: particle trajectories. Journal of Agricultural Engineering Research, 1, pp. 78-84. Neményi M., Szodfridt Gy. (1985): Die die Oberfläche der Körner des Hybridmaises (Zea mays L.) beeinflussenden Faktoren. Z. Acker- und Pflanzenbau, 154, 217-221. p. Polyák N. I. 2000. Movement of wheat grains in the air. IAMFE/AAB UK 2000.The 11th International Conference and Exhibition on Mechanisation of Field Experiments. Wellesbourne, Warwick, England. Proceedings. pp. 241-248. Sitkei Gy. (1981): Mezőgazdasági anyagok mechanikája. Akadémiai Kiadó, Budapest.
– 139 –
