FVM Mezőgazdasági Gépesítési Intézet Gödöllő, Tessedik Sámuel út 4. 2100 J E L E N T É S A Műszaki fejlesztési lehetőségek kutatása a növényvédelmi tevékenység környezetterhelő hatásainak csökkentésére című témáról Témaszám: 1.1.227.002.8 Témavezető: Témafelelősök: Közreműködők: Gulyás Zoltán Deákvári József Kovács László Darnyik Árpád Dr. Dimitrievits György Gödöllő, 2008.
2 1. Összefoglalás...3 2. A téma előzményei és célja...4 3. A téma művelésének módszerei...4 4. A téma művelésének körülményei...5 5. A téma eredményei...6 5.1 Cseppképzés-vizsgálatok... 6 5.2 Modellezett elsodródás-vizsgálatok... 8 6. Az eredmények értékelése, következtetések...10 6.1 Laboratóriumi cseppvizsgálatok... 10 6.2 Elsodródásvizsgálatok szélcsatornában... 10 7. Javaslatok...11
3 1. Összefoglalás Laboratóriumi cseppképzés-vizsgálatokat végeztünk intézetünk lézerlaboratóriumában MALVERN 2600 C típusú lézeres részecske analizátor segítségével. Különböző, TeeJet gyártmányú fúvókák cseppképzését vizsgáltuk meg. A mérési eredmények alapján kijelenthető, hogy a hagyományos réses fúvókák esetében az átlagos közepes (50%-os) térfogati cseppátmérő értéke 109,2-153,0 μm között változott az üzemi nyomás függvényében. A passzív injektoros fúvókáknál ugyanez a paraméter azonos megkötéssel 192,7-362,4 μm közötti értékeket vett fel. Az átlagos 10%-os térfogati cseppátmérő értéke a réses fúvókák vonatkozásában 42,2-66,5 mikrométer között, az injektoros fúvókák kapcsán pedig 69,3-137,0 μm között volt. Az üzemi nyomásnak a gyártó által ajánlott tartomány kezdő és végpontja között történő növelése a réses fúvókáknál az átlagos közepes térfogati cseppátmérő 20,3, illetve 23,3%-os, csökkenését eredményezte. A 10%- os átlagos térfogati cseppátmérő esetében azonos megkötéssel 28,2 és 31,4%-os csökkenés volt kimutatható. Az injektoros fúvókák vonatkozásában nagyobb mértékű (az 50%-os cseppátmérő esetében 38,0, illetve 41,4%; a 10%-os átmérő kapcsán pedig 25,5, valamint 42,3%) -egy mérési pont kivételével- folyamatos csökkenés volt tapasztalható a vizsgálatnál alkalmazott üzemi nyomástartományban kezdő. A réses fúvókáknál a 10%-os térfogati cseppátmérők értéke igen kicsi, a beállított üzemi nyomás értékétől függetlenül minden esetben 70 μm alatt volt. Ez azt mutatja, hogy az elsodródásra különösen hajlamos 100 μm-nél kisebb méretű cseppek jelentős mennyiségben voltak jelen. Ez jelentős mértékű elsodródás lehetőségét jelzi. A passzív injektoros fúvókák esetében a 10%-os térfogati cseppátmérő átlagos értéke egy mérési pont kivételével meghaladta a 70 mikrométert, több mérési ponton pedig 100 μm-nél nagyobb értékeket rögzítettünk. A két jellemző összefüggéseiben történt kiértékelése alapján levonható a következtetés, hogy a vizsgált passzív injektoros fúvókák az eltérő rendszerű fúvókák gyártó által javasolt és előírt üzemeltetési nyomástartományainak egymást fedő résztartományában (3,0-5,0 bar) lényegesen nagyobb méretű cseppeket képeznek, mint a vizsgált hagyományos réses fúvókák. Az adatok tükrében kijelenthető, hogy a passzív injektoros fúvókák esetében a 10%-os cseppátmérő értéke jelentős mértékben meghaladja a hagyományos réses fúvókáknál mért cseppátmérő-értékeket, tehát az injektoros fúvókák permetezési eljárások során történő alkalmazásával számottevően csökkenthető az elsodródási hajlam, ezáltal a környezet veszélyeztetésének, terhelésének a mértéke. Szélcsatornában végzett elsodródás-vizsgálataink során különböző üzemi beállításoknál vizsgáltuk a fent nevezett szórófejek által képzett cseppek elsodródását. A TeeJet XRC 11004 típusú réses fúvóka esetében 2 m/s légsebességnél az elsodródás mintegy 2,5 m-ig volt számottevő ( 1%), a nagyobb távolságok esetében minimális mértékűre csökkent. 4 m/s légsebességnél azonban még a méréshatáron, 6,5 m-nél is volt jelentős mértékű (3%) lerakódás. A 6 m/s sebességű légmozgás még ennél is nagyobb elsodródást eredményezett, a méréshatáron is magas (4%) fedettség-értéket mértünk. A TeeJet AIC 11004 típusú passzív injektoros fúvóka esetében 2 m/s légsebességnél kb. 3,5 méterig volt számottevő ( 1%) fedettség a talajszinten. A nagyobb távolságokra elhelyezett vízérzékeny papírok alapján nem tudtunk kimutatható elsodródást megállapítani. 4 m/s légsebességnél 6 m távolságban 1%-os fedettséget mutattunk ki, a méréshatáron pedig már nem volt számottevő fedettség. A 6 m/s légsebességnél végzett mérésnél a méréshatáron 1%-os fedettség volt kimutatható. A szélcsatornában elvégzett elsodródás-vizsgálatok eredményei alapján levonható az a következtetés, hogy a hagyományos réses fúvókák alkalmazása 3 m/s-nál erősebb szél esetében nem javasolható, mert nagyobb szélsebesség esetén az elsodródott mennyiség és a max. elsodródási távolság egyaránt számottevő mértékben növekszik. Megállapítható továbbá, hogy passzív injektoros fúvókák alkalmazása erősebb szélben is javasolható.
4 2. A téma előzményei és célja A mezőgazdasági kultúrákat kizárólag abban az esetben lehet hatékonyan megvédeni a kártevők, kórokozók és gyomnövények terméscsökkentő, minőségrontó hatásától, ha szakszerűen kiválasztott növényvédő szereket optimális időpontban, a szükséges mennyiségben, egyenletesen szórjuk ki a célfelületre. Az eredményes és hatékony növényvédelem egyik alapvető feltétele és követelménye tehát, hogy a célnak megfelelő gépet és technológiát alkalmazzunk. A gépek rendszere, kialakítása, továbbá a növényvédelmi tevékenység során alkalmazott műszaki megoldások jelentősen befolyásolják, hogy a vegyszerek milyen mértékben mennek veszendőbe, veszélyeztetve vagy terhelve a környezetet. Az utóbbi időben a gépekkel szemben támasztott követelmények szigorodtak, egyre kifejezettebb az a szakmai és társadalmi igény, hogy csökkentett környezetterheléssel legyenek elvégezhetőek a növényvédelmi beavatkozások, anélkül, hogy a gépek munkaminősége, a kezelések hatékonysága romlana. A művelt téma keretében a gyakorlatban, széles körben alkalmazott, a korábbi időszakban még nem vizsgált fúvókák cseppképzésének laboratóriumi körülmények között történő vizsgálatát, továbbá modellezett elsodródás-vizsgálatok (szélcsatornában, reprodukálható üzemi paraméterek mellett) lefolytatását tűztük ki célul. A vizsgálati eredmények alapján összefüggéseket kívántunk feltárni, értékelni, elemezni az alkalmazott műszaki megoldások, az elsodródási hajlam, illetve a környezetet veszélyeztető, terhelő hatások mértéke között. 3. A téma művelésének módszerei A laboratóriumi cseppképzés-vizsgálatokat intézetünk lézerlaboratóriumában végeztük el MALVERN 2600 C típusú lézeres részecske analizátor segítségével. A vizsgálatok során a fix helyzetben rögzített fúvókáktól 500 mm távolságban végeztük a méréseket. A szélcsatornában modellezett elsodródás-vizsgálatok során az 500 mm magasságban elhelyezett szórófejektől távolodva a szélcsatorna padlózatán 500 miliméterenként helyeztünk el vízérzékeny papírokat. A mérések során a szórófejeket 5 másodpercig működtettük különböző üzemi paraméterek mellett. A permetezés után összegyűjtött mintákat beszkenneltük, a relatív fedettség (%) értékét pedig National Instruments LabVIEW Vision képfeldolgozó program alkalmazásával határoztuk meg.
5 4. A téma művelésének körülményei A cseppképzés-vizsgálatok során alkalmazott üzemi nyomás értékeinek megválasztásánál minden egyes fúvóka esetében a gyártó optimális üzemi nyomástartományra vonatkozó ajánlásait és előírásait tartottuk szem előtt. Ennek értelmében a hagyományos réses fúvókákkal szerelt szórófejeket 2,0 5,0 bar, a passzív injektoros fúvókákkal szerelt szórófejeket pedig 3,0 7,0 bar üzemi nyomástartományban vizsgáltuk minden egyes egész üzemi nyomásértéknél. A passzív injektoros fúvókákat elsősorban az elsodródás mérséklése céljából fejlesztették ki. A passzív injektoros fúvókák mindkét oldalán furatok vannak, amelyeken keresztül az áramló folyadék levegőt szív be, amely elkeveredik a permetlével. Ennek következtében nagyméretű cseppek képződnek, amelyek belsejében légbuborékok vannak. Ezek a nagyméretű cseppek elsodródásra, párolgásra lényegesen kevésbé hajlamosak. A célfelületnek ütközve a légbuborékok hatására a csepp szétrobban, és így megfelelően nagy felületen és kellően egyenletesen oszlik el a permet. A passzív injektoros fúvókák nagy előnye, hogy a hagyományos fúvókákkal csereszabatosak, így a régebbi gyártású gépeken egyszerűen beszerelhetők a szórófejekbe. Vizsgálataink tárgyát az egyes fúvókák által előállított cseppek mérete képezte, hiszen a permetlé elsodródásának mértéke egyéb paraméterek mellett jelentős mértékben függ a permetezés során alkalmazott fúvókák által képzett cseppek méretétől. A fúvókák cseppképzését a közepes (50 %-os), valamint a 10 %-os térfogati cseppátmérők (jelentése: az a mikrométerben kifejezett cseppátmérő-érték, amelynél a vizsgált fúvóka által képzett cseppek 10%-ának átmérője biztosan kisebb) 3 mérésből számított átlagos értékeivel jellemeztük a beállított üzemi nyomás függvényében. A szélcsatornában háromszoros ismétlésben elvégzett vizsgálatok során a légsebességet 2-6 m/s intervallumban változtattuk, a folyadéknyomást pedig minden egyes vizsgált fúvóka esetében 3,0 bar értékre állítottuk be. Az ábrázolt eredmények 3 mérés átlagából származnak.
6 5. A téma eredményei 5.1 Cseppképzés-vizsgálatok A vizsgált fúvókák főbb műszaki jellemzői az 1. táblázatban láthatók. 1. táblázat: A vizsgálatra kijelölt fúvókák fontosabb paraméterei Sorszám A fúvókatípus Fúvóka rendszere pontos megnevezése 1. XRC 11003 (kék) réses 2. XRC 11004 (piros) réses 3. AIC 11003 (kék) passzív injektoros 4. AIC 11004 (piros) passzív injektoros Az eredmények az 1. és a 2. ábrán láthatóak. 400,0 50%-os térfogati cseppátmérő (mikrométer) 350,0 300,0 250,0 200,0 150,0 100,0 2,0 bar 3,0 bar 4,0 bar 5,0 bar 6,0 bar 7,0 bar üzemi nyomás TeeJet XRC 11003 TeeJet XRC 11004 TeeJet AIC 11003 TeeJet AIC 11004 1. ábra: A közepes (50%-os) térfogati cseppátmérő alakulása az üzemi nyomás függvényében
7 140,0 10%-os térfogati cseppátmérő (mikrométer) 130,0 120,0 110,0 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 2,0 bar 3,0 bar 4,0 bar 5,0 bar 6,0 bar 7,0 bar üzemi nyomás TeeJet XRC 11003 TeeJet XRC 11004 TeeJet AIC 11003 TeeJet AIC 11004 2. ábra: A 10%-os térfogati cseppátmérő a beállított üzemi nyomás függvényében Az ábrákról leolvasható adatok alapján a hagyományos réses fúvókák esetében az átlagos közepes (50%-os) térfogati cseppátmérő értéke 109,2-153,0 μm között változott az üzemi nyomás függvényében. A passzív injektoros fúvókáknál ugyanez a paraméter azonos megkötéssel 192,7-362,4 μm közötti értékeket vett fel. Az átlagos 10%-os térfogati cseppátmérő értéke a réses fúvókák vonatkozásában 42,2-66,5 mikrométer között, az injektoros fúvókák kapcsán pedig 69,3-137,0 μm között volt. Az üzemi nyomásnak a gyártó által ajánlott tartomány kezdő és végpontja között történő növelése a réses fúvókáknál az átlagos közepes (50%-os) térfogati cseppátmérő 20,3, illetve 23,3%-os, folyamatos csökkenését eredményezte. A 10%-os átlagos térfogati cseppátmérő esetében azonos megkötéssel 28,2 és 31,4%-os csökkenés volt kimutatható. Az injektoros fúvókák vonatkozásában nagyobb mértékű (az 50%-os cseppátmérő esetében 38,0, illetve 41,4%; a 10%-os átmérő kapcsán pedig 25,5, valamint 42,3%) -egy mérési pont kivételévelfolyamatos csökkenés volt tapasztalható a vizsgálatnál alkalmazott üzemi nyomástartomány kezdő és végpontja között. Az ábráról leolvasható továbbá, hogy a réses fúvókáknál a 10%-os térfogati cseppátmérők értéke igen kicsi, a beállított üzemi nyomás értékétől függetlenül minden esetben 70 μm alatt volt. A passzív injektoros fúvókák esetében a 10%-os térfogati cseppátmérő átlagos értéke egy mérési pont kivételével meghaladta a 70 mikrométert, számos mérési ponton pedig 100 μm-nél nagyobb értékeket rögzítettünk.
8 5.2 Modellezett elsodródás-vizsgálatok A modellezett elsodródás-vizsgálatokat a Budapesti Műszaki Egyetem Áramlástani Tanszékének szakemberei által kialakított szélcsatornában (3. ábra) végeztük el. 3. ábra: Szélcsatorna A szélcsatornában végzett vizsgálatok során a 2. táblázatban látható üzemi beállításokat alkalmaztuk. 2. táblázat: Beállítási értékek elsodródásvizsgálatoknál szélcsatornában Mérés sorszáma Fúvóka típusa Légsebesség (m/s) 1. 2,0 2. TeeJet XRC 11004 4,0 3. 6,0 4. 2,0 5. TeeJet AIC 11004 4,0 6. 6,0 A TeeJet XRC 11004 fúvókákkal végzett mérések eredményei a 4., a TeeJet AIC 11004 fúvókákkal végzett méréseké pedig az 5. ábrán láthatók.
9 60% 50% Fedettség 40% 30% 20% 10% 0% 0 1 2 3 4 5 6 7 Távolság, m 2 m/s 4 m/s 6 m/s 4. ábra: TeeJet XRC 11004 típusú fúvóka elsodródása szélcsatornában (p víz : 3,0 bar) Az ábrából kitűnik, hogy 2 m/s légsebességnél az elsodródás mintegy 2,5 m-ig volt számottevő ( 1%), a nagyobb távolságok esetében minimális mértékűre csökkent. 4 m/s légsebességnél azonban még a méréshatáron, 6,5 m-nél is volt jelentős mértékű (3%) lerakódás. A 6 m/s sebességű légmozgás még ennél is nagyobb elsodródást eredményezett, a méréshatáron is magas (4%) fedettség-értéket mértünk. 45% 40% 35% Fedettség 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 0 1 2 3 4 5 6 7 Távolság, m 2 m/s 4 m/s 6 m/s 5. ábra: TeeJet AIC 11004 típusú fúvóka elsodródása szélcsatornában (p víz : 3,0 bar)
10 Az ábrán megfigyelhető, hogy 2 m/s légsebességnél kb. 3,5 méterig volt számottevő ( 1%) fedettség a talajszinten. A nagyobb távolságokra elhelyezett vízérzékeny papírok alapján nem tudtunk kimutatható elsodródást megállapítani. 4 m/s légsebességnél 6 m távolságban 1%-os fedettséget mutattunk ki, a méréshatáron pedig már nem volt számottevő fedettség. A 6 m/s légsebességnél végzett mérésnél a méréshatáron mindössze 1%-os fedettség volt kimutatható. 6. Az eredmények értékelése, következtetések 6.1 Laboratóriumi cseppvizsgálatok A lézeres cseppképzés-vizsgálatok alapján megállapítottuk, hogy a hagyományos réses fúvókák esetében az átlagos közepes (50%-os) térfogati cseppátmérő értéke (109,2-153,0 μm) lényegesen kisebb volt, mint a passzív injektoros fúvókáknál meghatározott azonos paraméter (192,7-362,4 μm). Hasonló eredményre jutottunk az átlagos 10%-os térfogati cseppátmérő vizsgálatánál is (a réses fúvókák vonatkozásában 42,2-66,5 mikrométer között, az injektoros fúvókák kapcsán pedig 69,3-137,0 μm között volt). Az üzemi nyomásnak a gyártó által ajánlott tartomány kezdő és végpontja között történő növelése a réses fúvókáknál mind az átlagos közepes (50%-os) térfogati cseppátmérő, mind pedig a 10%-os átlagos térfogati cseppátmérő vonatkozásában kisebb mértékű csökkenés volt kimutatható, mint a passzív injektoros fúvókák esetében. Megállapítottuk továbbá, hogy a réses fúvókáknál a 10%-os térfogati cseppátmérők értéke igen kicsi, a beállított üzemi nyomás értékétől függetlenül minden esetben 70 μm alatt volt. Ez azt mutatja, hogy az elsodródásra különösen hajlamos 100 μm-nél kisebb méretű cseppek jelentős mennyiségben voltak jelen. Ez jelentős mértékű elsodródás lehetőségét jelzi. A passzív injektoros fúvókák esetében a 10%-os térfogati cseppátmérő átlagos értéke egy mérési pont kivételével meghaladta a 70 mikrométert, több mérési ponton pedig 100 μm-nél nagyobb értékeket rögzítettünk. A két jellemző összefüggéseiben történt kiértékelése alapján levonható a következtetés, hogy a vizsgált passzív injektoros fúvókák az eltérő rendszerű fúvókák gyártó által javasolt és előírt üzemeltetési nyomástartományainak egymást fedő résztartományában (3,0-5,0 bar) lényegesen nagyobb méretű cseppeket képeznek, mint a vizsgált hagyományos réses fúvókák. Az adatok tükrében kijelenthető, hogy a passzív injektoros fúvókák esetében a 10%-os cseppátmérő értéke jelentős mértékben meghaladja a hagyományos réses fúvókáknál mért cseppátmérő-értékeket, tehát az injektoros fúvókák permetezési eljárások során történő alkalmazásával számottevően csökkenthető az elsodródási hajlam. 6.2 Elsodródásvizsgálatok szélcsatornában A modellezett elsodródásvizsgálatok alapján 2 m/s légsebességnél az elsodródás mintegy 2,5 m-ig volt számottevő ( 1%), a nagyobb távolságok esetében minimális mértékűre csökkent. 4 m/s légsebességnél azonban még a méréshatáron, 6,5 m-nél is volt jelentős mértékű (3%) lerakódás. A 6 m/s sebességű légmozgás még ennél is nagyobb elsodródást eredményezett, a méréshatáron is magas (4%) fedettség-értéket mértünk. Megállapítottuk továbbá, hogy 2 m/s légsebességnél kb. 3,5 méterig volt számottevő ( 1%) fedettség a talajszinten. A nagyobb távolságokra elhelyezett vízérzékeny papírok alapján nem tudtunk kimutatható elsodródást megállapítani. 4 m/s légsebességnél 6 m távolságban 1%-os fedettséget mutattunk ki, a méréshatáron pedig már nem volt számottevő fedettség. A 6 m/s légsebességnél végzett mérésnél a méréshatáron mindössze 1%-os fedettség volt kimutatható. A szélcsatornában elvégzett modellezett szabadföldi elsodródásvizsgálatok
11 eredményei alapján levonható az a következtetés, hogy a hagyományos réses fúvókák alkalmazása 2-3 m/s-nál erősebb szél esetében nem javasolható, mert nagyobb szélsebesség esetén az elsodródott mennyiség és a max. elsodródási távolság egyaránt számottevő mértékben növekszik. Megállapítható továbbá, hogy passzív injektoros fúvókák alkalmazása erősebb szélben is javasolható. 7. Javaslatok Javasoljuk a folyamatosan növekvő számban elvégzett mérések reprezentatív eredményeinek tükrében feltárt műszaki, növény- és környezetvédelmi összefüggések alapján az egyes műszaki megoldások elsodródás csökkentési képesség szerinti kategóriákba történő jövőbeni besorolását. Javasoljuk az egyes műszaki megoldások, illetve az ezekkel ellátott permetezőgépek elsodródás csökkentési kategóriákba (pl.: 0%-os, 50%-os, 75%-os, 90%-os kategóriák) sorolását. A besorolás segítségével -a kijuttatni kívánt növényvédő szer fajtája, veszélyességének függvényében- megadhatók a védendő természeti értékektől (pl.: élővizek) számított minimális távolságok, amelyen belül egyáltalán nem vagy kizárólag bizonyos elsodródás csökkentési kategóriákba tartozó műszaki megoldásokkal végezhető növényvédelmi tevékenység. A besorolás alapján javasoljuk a növényvédelmi gépek környezetterheléssel szemben fokozottan érzékeny területekre (különös tekintettel az élővizekre) vonatkozó alkalmazási feltételeinek meghatározását. Javasoljuk továbbá egy hazai, az európai rendszerekkel összhangban működő, hatékony, környezetkímélő növényvédelmi rendszer fejlesztéséhez szükséges elméleti alapok megteremtését. Gödöllő, 2008. (Dr. Fenyvesi László) főigazgató (Dr. Hajdú József) főigazgató-helyettes (Gulyás Zoltán) (Deákvári József) (Kovács László) témavezető témafelelős témafelelős PH.