Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ 785 GRANÜLE GÜBRELERDE DANE DAYANIMININ BELİRLENMESİ Determination of Static Particle Strength of Granular Fertilizers N. TURGUT 1 M. KARA 2 Y. ERKMEN 2 İ.E. GÜLER 3 ÖZET Ülkemizde üretilen granüle gübrelerin statik dane dayanımını belirlemek amacıyla kuvvet sensörü ve veri toplama ünitesiyle donatılmış bir ölçme düzeneği geliştirilmiş, dane boyutunun dane kırılma ve dane dayanımına olan etkisi ile küreselliğin dane kırılma kuvvetine olan etkisi bu düzenek yardımıyla belirlenmiştir. Gübrelerin dane kırılma kuvveti 23-92 N arasında gerçekleşmiş, dane boyutunun artmasıyla dane kırılma kuvveti artarken, dane dayanımı kimi gübrelerde artmış, bir kısmında azalmış, bazı gübrelerde de aynı düzeyde kalmıştır. Küreselliğin azalmasıyla sadece bir gübrede kırılma kuvveti azalmış, diğer gübrelerde kırılma kuvveti değerleri hemen hemen sabit kalmıştır. ABSTRACT In order to determine the static particle strength of fertilizers manufactured in Turkey, a device equipped with a load cell and data acquisition system was developed, and the effect of the particle size on the particle breaking force and static particle strength, and the effect of spherity on the breaking force were determined by this device. The breaking forces of several fertilizer varied between 23-92 N. The breaking force of all fertilizer increased when the particle diameter increases. With an increase the particle size, the particle strength decreases for ammonium nitrate and diammonium phosphate, increases for triple superphosphate, and remains at the same level for the other fertilizers. 1 Prof. Dr., Atatürk Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü-ERZURUM. 2 Doç. Dr., Atatürk Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü-ERZURUM. 3 Yrd. Doç. Dr., Atatürk Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü-ERZURUM.
Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ 786 GİRİŞ Gübrelerin fiziksel özellikleri üretim, taşıma, depolama ve tarlaya uygulama açısından önemlidir. Hem gübre üreticileri hem de gübre dağıtma makinası imalatçıları bu özellikleri gözönüne alma durumundadırlar. Gübrelerin dane dayanımı önemli fiziksel özelliklerden biridir. Gübreler, üretimden tüketime kadar bir çok aşamada, değişik biçimlerde etkileyebilen birçok mekanik yüke maruz kalırlar. Gübre daneleri kolay dağılabilir bir yapıdaysa, özellikle taşıma ve tarlaya uygulama esnasında kolayca parçalanabilirler. Bu da danenin boyut dağılımına ve makinanın serpme genişliğine etki eder. Ayrıca, yumuşak gübre daneleri sert olanlara nazaran daha fazla topaklanma eğilimi gösterirler (1,2). Gübre danesinin kırılma kuvveti doğrudan ölçülebilmektedir. Dane dayanımı ( p ) ise kırılma kuvvetinin (F) ve kırılmanın gerçekleştiği dane yüzeyinin kesit alanına (A) bölünmesiyle elde edilir (3): p F N/mm 2 (1) A Gübre danelerinin dayanımını ölçmek için geliştirilen yöntemler Hoffmeister (4) tarafından özetlenmiştir. Kullanılan düzenekler küçük elektronik terazilerden elle veya motorla çalıştırılan sıkıştırma test düzeneğine kadar değişiklik göstermektedir. Hardesty ve Ross (5) bir kremayer dişli mekanizmasıyla, Fruhstorfer (6) hidrolik kumandalı bir pistonla, Brübach (7) kuvvet ve uzunluk sensörleriyle donatılmış elektrik motoruyla tahrik edilen bir sıkıştırma test düzeneğiyle danenin kırılma kuvvetini ölçmüşlerdir. Brübach (7) 3 mm/min lik sabit bir hızda daneye 200 N a kadar yük uygulanmış, sıkıştırma dane kırılıncaya kadar sürdürülmüş ve sıkıştırma esnasındaki kuvvet ölçülmüştür. Hofstee (3) danenin statik dayanımını ölçmek için, kuvvet ve uzunluk sensörleriyle donanmış biri sabit diğeri hareketli iki çenesi olan bir ölçme düzeneği geliştirmiş, çeneler arasına yerleştirilen daneye hareketli çene tarafından yük uygulayarak kuvvet ve deformasyonu, sensörler yardımıyla veri toplama ünitesiyle donatılmış bilgisayara aktarmıştır. Gübre danesinin statik dayanımıyla ilgili yapılan araştırmalar, dane çapının artmasıyla kırılma kuvvetinin arttığını(3,7,8), dane dayanımının ise tam tersine dane çapının artmasıyla azaldığını(7) göstermektedir. Ancak Hofstee(9), kompoze gübrelerde dane çapının artmasıyla dane dayanımının azaldığını, CAN gübresinde ise tersine çapın artmasıyla dayanımın da arttığını, granüle üre dayanımında hafif bir düşüşün gözlendiğini, pril ürede ise dayanımın sabit kaldığını bildirmiştir. Hofstee ve Huisman(10) yaptıkları bir literatür çalışmasında, değişik araştırmacıların elde ettikleri sonuçları değerlendirerek, farklı gübreler için kırılma kuvveti değerlerinin 5-140 N arasında olduğunu belirtmişlerdir. Ayrıca, taşıma esnasında gübre danesinin hasara uğramaması için minimum kırılma kuvvetinin 15 N olması gerektiği bir çok araştırmacı tarafından önerilmiştir (2,10). Atatürk Üniversitesi Araştırma Fonu nca desteklenen bu çalışmada, ülkemizde üretilen bazı gübrelerin statik dane dayanımları belirlenmiştir.
Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ 787 MATERYAL VE YÖNTEM Gübrenin statik dane dayanımını belirlemek için geliştirilen ölçme düzeneği üç ana üniteden oluşmaktadır: Hız varyatörü ve elektrik motorundan oluşan tahrik ünitesi, gübre danesine yükün uygulandığı biri hareketli iki çeneden oluşan sıkıştırma ünitesi, kırılma kuvvetini ölçüp bilgisayara aktaran sensör ve veri toplama ünitesi (Şekil 1). Alt çene 25 m/s lik sabit bir hızla hareket ederek hemen üzerinde bulunan daneye kırılıncaya kadar yük uygular, üst çeneye bağlı olan yük sensörü, sıfırdan maksimum kırılma kuvvetine kadar uygulanan yükü zamana bağlı olarak ölçüp bilgisayarın veri toplama ünitesine aktarır. Denemelerde saniyede 25 rakam okunmuş, böylece 1 m lik deformasyon için bir kuvvet değeri elde edilecek şekilde dane kırılıncaya kadar ölçme işlemi sürdürülmüştür.dane dayanımının elde edilmesinde, kırılma anındaki kuvvetle, danenin düşey yüzey kesit alanı gözönüne alınmıştır. Danenin düşey yüzey kesit alanının küresel olduğu varsayılmış, bunun için dane yüksekliği ölçülerek çap olarak kabul edilmiştir (3). Şekil 1. Dane dayanımını ölçme düzeneği.
Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ 788 Küreselliğin belirlenmesinde şu eşitlikten yararlanılmıştır (11): Burada, a: Uzun boyut, b: Orta boyut, c: Kısa boyutu göstermektedir. 1/ 3 (a.b.c) K (2) a Küreselliğin dane kırılma kuvvetine olan etkisini belirlemek için elek boyutu 2.80 mm ve daha yukarı olan daneler kullanılmış, yükleme büyük eksene yapılmış, özellikle düşük küresellik değerlerinde danenin düşey yüzey kesit alanını yuvarlak varsayamayacağımızdan sadece kırılma kuvveti değerleri elde edilmiş, dane dayanımı hesaplanmamıştır. Denemelerde amonyum nitrat (AN), kalsiyum amonyum nitrat (CAN), üre (ÜRE), diamonyum fosfat (DAP), triple süperfosfat (TSP) ve kompoze (NPK) gübre kullanılmıştır. Denemeler 20 tekerrürlü yürütülmüştür. Gübrelere ilişkin bazı fiziksel özellikler Tablo 1 de sunulmuştur. Tablo 1. Denemelerdeki gübrelerin bazı fiziksel özellikleri Gübreler Bileşimi (%) AOÇ* (mm) Hacim ağırlığı (g/l) Yığılma açısı ( ) Nem (k.a.) (%) AN 33 N 2.33 896.42 29 0.12 CAN 26 N 2.48 888.70 30 1.50 ÜRE 46 N 2.37 723.94 29 0.80 DAP 18 N - 46 P 2 O 5 - O 2.61 809.26 36 4.60 TSP 42-44 P 2 O 5 2.65 836.22 37 4.65 NPK 8 N - 24 - P 2 O 5-8 K 2.94 838.46 36 2.94 * Ağırlıklı ortalama çap Dane boyut analizi için 1.18, 2.36, 2.80, 4.00 ve 4.75 mm'lik elekler kullanılmış, ayrıca denenecek her gübre danesinin yüksekliği ölçülmüş, dane dayanımının hesaplanmasında bu yükseklik değeri kullanılmıştır. Ancak AN, CAN ve TSP için 4.00 ve 4.75 mm, DAP için 4.75 mm'lik elek boyutunda dane bulunamamıştır.
Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ 789 ARAŞTIRMA SONUÇLARI VE TARTIŞMA Dane boyutunun dane kırılma kuvveti ve dayanımına etkisi Dane boyutuyla dane kırılma kuvveti ve dane dayanımı arasındaki ilişkileri belirlemek amacıyla yapılan GLM analizi değerleri Tablo 2'de Duncan Çoklu Karşılaştırma testi sonuçları ise Tablo 3'de sunulmuştur. Tablo 2. Değişik gübrelerde dane boyutunun dane kırılma kuvveti ve dayanımına etkisini belirlemek için yapılan GLM test sonuçları Kırılma Kuvveti Dayanım Varyasyon Serbestlik Kareler F P Kareler F P Kaynakları Derecesi Ortalaması Ortalaması Gübre 5 1 508.88 381.64 0.000 52 017 207.41 0.000 Boyut 4 27.54 6.96 0.000 31 600 126.00 0.000 Hata 415 3.95 251 Tablo 3. Gübre çeşidi ve dane boyutunun dane kırılma kuvveti ve dayanımına ilişkin Duncan Çoklu Karşılaştırma test sonuçları Gübreler Kırılma kuvveti (N) Dayanım (N/mm 2 ) AN 23.06 d 0.6041 d CAN 22.89 d 0.3967 d ÜRE 26.72 d 3.2851 c DAP 91.60 a 12.7773 a TSP 38.90 c 3.9447 c NPK 60.47 b 8.2707 b Elek boyutları (mm) 1.18 14.89 e 5.3469 a 2.36 23.85 d 5.2558 a 2.80 37.47 c 5.0742 a 4.00 63.00 b 3.6954 b 4.75 80.49 a 5.0266 a Tablo 2'ye göre gübre çeşidi ve gübre boyutu dane kırılma kuvveti ve dayanımına istatistiksel olarak çok önemli (P<0.01) düzeyde etki etmiştir. Ancak Tablo 3 incelendiğinde, kırılma kuvveti açısından AN, CAN ve ÜRE'nin birbirlerine yakın değerler verdiği ve aralarındaki farkın önemsiz olduğu görülür. Bu durumda en yüksek kırılma kuvveti 91.60 N'la DAP'da ortaya çıkmış bunu sırayla NPK, TSP, ÜRE, AN ve 23.06 N'la CAN izlemiştir. Böylece iki değişik gübrenin kırılma kuvveti arasındaki fark en çok 3.97 olmuştur. Öte yandan, dane dayanımı açısından AN ile CAN, ÜRE ile TSP arasındaki fark önemsiz, bunlarla diğer gübreler arasındaki fark önemli çıkmıştır. En yüksek dayanım 12.78 N/mm 2 ile DAP'ta görülmüş, bunu sırayla NPK, TSP, ÜRE, AN ve
Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ 790 0.40 N/mm 2 ile CAN izlemiştir. Dane boyutuyla kırılma kuvveti arasındaki ilişki Şekil 2'de sunulmuştur. Dane boyutunun artmasıyla tüm gübrelerde kırılma kuvveti artmıştır. Dane boyutuyla dane dayanımı arasındaki ilişki (Şekil 3) incelendiğinde, dane boyutunun artmasıyla AN ve DAP'ın dane dayanımında azalma, TSP'de artma, diğerlerinde ise artış ve azalışlar meydana gelmiştir. Bu tür çelişkili sonuçlar Hofstee(3) tarafından da elde edilmiştir. Dane dayanımı ve kırılma kuvveti elek boyutu esas alınarak Şekil 4'de topluca sunulmuştur. Şekil 2. Dane boyutuyla kırılma kuvveti arasındaki ilişki Küresellikle dane kırılma kuvveti arasındaki ilişki Küresellik değerleri olarak %95, %85, %75 ve %65 alınmış, buna göre yapılan analizler, dane küreselliğinin kırılma kuvvetine etkisinin çok önemli (P<0.01) düzeyde olduğunu göstermiştir (Tablo 4). Duncan Çoklu Karşılaştırma test sonuçları ise (Tablo 5) gübreler arasındaki farkın önemli olduğunu ancak, biri hariç (%95)
Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ 791 Şekil 3. Dane boyutuyla dayanım arasındaki ilişki Elek boyutu (mm) 1.18 2.36 2.80 4.00 4.75 Gübre Dane dayanımı(n/mm 2 ) 0.0 20.0 0.0 20.0 0.0 20.0 0.0 20.0 0.0 20.0 AN CAN ÜRE DAP TSP NPK 0.0 200.0 0.0 200.0 0.0 200.0 0.0 200.0 0.0 200.0
Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ 792 K ı r ı l m a i (N) k u v v e t Şekil 4. Gübrelerin kırılma kuvvetleri ve dayanımları. diğer küresellik değerlerinin kırılma kuvvetine olan etkileri arasında önemli bir farkın bulunmadığını ortaya koymuştur. Şekil 5'ten de görüleceği gibi DAP gübresinde küresellik %95'ten %75'e düşünceye kadar kırılma kuvveti değerleri azalmış, diğer gübrelerde ise kırılma kuvveti değerleri hemen hemen aynı düzeyde kalmıştır. Tablo 4. Değişik gübrelerde küreselliğin kırılma kuvvetine etkisine ilişkin GLM test sonuçları Varyasyon Serbestlik Kareler F P Kaynakları Derecesi Ortalaması Gübre 5 108 559 394.10 0.000 Küresellik 3 7 172 26.04 0.000 Hata 421 275 Tablo 5. Değişik gübrelerde küreselliğin kırılma kuvvetine etkisine ilişkin Duncan Çoklu Karşılaştırma test sonuçları Gübreler Kırılma Kuvveti (N) AN 4.372 e CAN 27.546 c ÜRE 20.796 d DAP 112.612 a TSP 31.852 c NPK 59.188 b Küresellik (%) 95 54.389 a 85 41.808 b 75 38.269 b 65 36.445 b SONUÇ a. Gübrelerin dane kırılma kuvveti 23-92 N arasında gerçekleşmiştir. Böylece en küçük kırılma kuvveti değeri gübreler için minimum kritik değer olan 15 N'un üzerinde bulunmuştur. b. Dane kırılma kuvveti ve dayanımı dane boyutundan çok önemli düzeyde etkilenmiştir. c. Dane boyutunun artmasıyla dane kırılma kuvveti artmıştır. d. Dane boyutunun artmasıyla, dane dayanımı amonyum nitrat ve diamonyum fosfatta azalış, triple süperfosfatta artış, diğer gübrelerde ise hem artış hem de azalış göstermiştir.
Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ 793 e. Dane kırılma kuvveti küresellikten çok önemli düzeyde etkilenmiştir. Küreselliğin azalmasıyla diamonyum fosfat gübresinde kırılma kuvveti azalmış, diğer gübrelerde bu değerler hemen hemen sabit kalmıştır. Şekil 5. Değişik gübrelerde küresellikle kırılma kuvveti arasındaki ilişki KAYNAKLAR 1. Speelman, L., Features of a reciprocating spout broadcaster in the process of granular fertilizer application. Mededelingen Landbouwhogeschool, Wageningen, 1979. 2. Hignett, T.P., Physical and chemical properties of fertilizers and methods for their determination. Developments in Plant and Soil Sciences, volume 15, Fertilizer Manuel. Dordrecht:M. Nijhoff/dr W.Junk publishers for the International Fertilizer Development Center, pp. 284-316, 1985. 3. Hofstee, J.W., Physical properties of fertilizer in relation to handling and spreading. Wageningen Agricultural University, Department of Agricultural Engineering (Ph. D. thesis), Wageningen, 1993. 4. Hoffmeister, G., Physical properties of fertilizers and methods for measuring them. Bulletin Y-147, Muscle Sholas, AL: Tennessee Valley Authority, 31pp, 1979.
Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ 794 5. Hardesty, J.O., W.H. Ross, Factors affecting granulation of fertilizer mixture. Industrial and Engineering Chemistry, 30 (6): 668-672, 1938. 6. Fruhstorfer, A., Testing granular fertilizers for hardness. The International Superphosphate Manufacturer's Association, Wiesbaden, Germany, 1961. 7.Brübach, M., Der Einfluss der Korngrösse, Granulat - festigkeit und der Reinbung auf die Verteilung von Dünge und Pflanzenschutz Granulaten (Effect of particle size, particle strenght and friction on the distribution of fertilizer and plant protection granules). Dissertation TU-Berlin, 120 pp, 1973. 8. Williams, M.H., L.B. Boss, Physical properties of granular fertilizers in relation to transport, handling and climatic conditions. Paper presented at ANDA/ISMA Technical Seminar held at the Paule, Brazil, 1975. 9. Hofstee, J.W. Handling and spreading of fertilizers: art 2, physical properties of fertilizer, measuring methods and data. J. agric. Engng Res. 53, 141-162, 1992. 10. Hofstee, J.W., W. Huisman, Handling and spreading of fertilizers part 1: Physical properties of fertilizer in relation to particle motion. J. agric. Engng Res. 47:213-234, 1990. 11. Gorial, B.V., J.R. O' Callaghan, Aerodynamic properties of grain / straw materials. J. agric. Engng Res. 46:275-290, 1990.