Engineering design of spraying systems for horticulturalapplications using computational fluid dynamics

Abstract

Bij zowel voor- als naoogstbehandelingen van tuinbouwproducten wordt spuittechnologie gebruikt met het oog op een verbeterde productkwaliteit. Het onderzoek richtte zich op twee verschillende spuitsystemen in de productieketen van tuinbouwproducten: dwarsstroom boomgaardspuittoestellen met luchtondersteuning en bevochtingssystemen op basis van microverneveling. In de eerste toepassing leidt onoordeelkundig gebruik van de toepassingtechniek tot drift en milieuschade en fytotoxische effecten ten gevolge van overdosissen. De tweede toepassing beoogt het voorkomen van te sterke uitdroging van product, terwijl verkeerd gebruik leidt tot een afname van de koelefficiëntie en de uitgroei van microörganismen. In dit onderzoek beogen we een beter ontwerp en engineering van spuitsystemen. De hoofddoelstelling is het ontwikkelen van een modelgebaseerde methodologie voor ontwerp en engineering van spuitsystemen. De kern van deze methodologie is een 3-dimensioneel Computational Fluid Dynamics (CFD) model dat de relevante variabelen van het spuitproces in de verschillende toepassingen berekent als functie van de instelparameters en omgevingscondities. Het pad van de vernevelde druppels wordt voorspeld door middel van een Euleriaans-Lagrangiaans deeltjestransportmodel. Dit model brengt de effecten van turbulente dispersie, druppelverdamping, en de volledige koppeling van momentum, warmte- en massaoverdracht tussen de continue luchtfase en de discrete druppelfase in rekening. De berekeningen maken het voor het eerst mogelijk om voor elke specifieke configuratie een gedetailleerde en kwantitatieve evaluatie te maken van de spuitnevelverdeling, de luchtstroming, de depositie van de druppels, de temperatuur en de relatieve vochtigheid, zowel ruimtelijk als in functie van de tijd. Voor boomgaardspuiten werd een gevalideerd CFD model ontwikkeld dat rekening houdt met het profiel van de luchtondersteuning, de tractorsnelheid en de dopkarakteristieken. Zo werd het mogelijk ontwerp en instelling van spuittoestellen te verbeteren en te implementeren in de praktijk, met een verlaagd risico op drift en een uniformere spuitnevel. Dwarsstroom boomgaardspuittoestellen produceren een complex drie-dimensioneel profiel van de luchtondersteuning, dat niet kan beschreven worden met de bestaande theorie van luchtstralen. Het volledige 3-D profiel van de luchtstroming beïnvloedt in grote mate de beweging van de druppels, en is sterk afhankelijk van ventilatorsnelheid en tractorsnelheid. Het verticaal profiel van de spuitnevel wordt tevens sterk beïnvloed door de druppelgrootteverdeling van de spuitdoppen. Voor een reductie van drift, moeten het aandeel van fijnere druppels zo laag mogelijk worden gehouden, en de instellingen van de luchtondersteuning aangepast. Het gebruik van veldspuitdoppen werd aangereikt als een middel om dit te verwezenlijken. Voor bevochtingssystemen in koude bewaarruimten werd een gevalideerd multischaal CFD model ontwikkeld dat rekening houdt met het ontwerp van de bewaarruimte en koelinstallatie, de thermofysische producteigenschappen, de stapelwijze en de dopkarakteristieken. De plaatsing en instelling van bevochtigers en het ontwerp van de bewaarruimte werd aanzienlijk verbeterd om te komen tot een reductie van de condensatie en een verhoogde waarde en uniformere verdeling van de relatieve vochtigheid in de ruimte bij lage temperatuur. Het multischaalmodel bestaat enerzijds, op de kleinste schaal van de individuele box met producten, uit een gecombineerd discrete-elementen (DE) en CFD model en anderzijds, op de schaal van de complete bewaarruimte, uit een CFD model met een poreus-medium model van de productstapel. De anisotrope parameters van het poreus-medium model werden bepaald door het DE-CFD model. Er werd aangetoond dat deze multischaal aanpak resulteerde in nauwkeurigere voorspellingen van luchtsnelheid, temperatuur en relatieve vochtigheid in toepassingen met gestapelde producten. Intervalbevochtiging met hoge-druk doppen werd voorgesteld als oplossing voor het verhogen van de relatieve vochtigheid, reductie van de inkoeltijd en het verkleinen van vochtverlies van de producten in de bewaarruimte. Om te komen tot en reductie van excessieve condensatie, moet deze methode evenwel gecombineerd worden met een geoptimaliseerde plaatsing, druk en debiet van de doppen, een voldoende lang verdampingspad voor de vernevelde druppels en het juiste bevochtingsinterval en duur. De geoptimaliseerde waarden zijn specifiek voor een bepaalde bewaarruimte en toepassing. De resultaten toonden aan dat verbeteringen in de praktijk mogelijk zijn aan de hand van de generieke ontwerpmethodologie die in dit doctoraat werd ontwikkeld.status: publishe