Comparative Evaluation of Mechanical and Pneumatic Mixing Systems for Urea-Based Liquid Fertilizer Preparation: Performance, Stability, and Energy Analysis

Bu çalışma, üre bazlı sıvı gübre çözeltilerinin hazırlanmasında bir mekanik karıştırıcı (dikey milli karıştırıcı, VSM) ile üç pnömatik karıştırma sisteminin (B1, B2, B3) performansının karşılaştırmalı deneysel değerlendirmesini sunmaktadır. Temel değerlendirme kriterleri; hedef pH’a ulaşma süresi, pH’ın zamanla değişim eğimi (dpH/dt), pH stabilitesi ve enerji tüketimidir. Tüm karıştırma deneyleri, ortam sıcaklığında (yaklaşık 22–25 °C) 1 ton suda çözünmüş 20 kg üre kullanılarak gerçekleştirilmiş ve sistem performanslarını değerlendirmek için standart bir referans koşulu sağlanmıştır. Deneysel bulgular, B1 pnömatik sisteminin en hızlı pH stabilizasyonunu (460 s) sağladığını, ancak pH eğim dinamiklerinde belirgin dalgalanmalar ve en yüksek enerji tüketimi (0,19 kWh) ile çalıştığını göstermiştir. Buna karşılık, VSM sistemi en düşük enerji tüketimi (0,0555 kWh) ve en kararlı pH eğimi ile enerji açısından en verimli performansı sergilemiş; ancak karıştırma süresi daha uzun olmuştur. B2 sistemi, orta düzeyde bir karıştırma süresi (520 s) ve enerji tüketimi (0,133 kWh) ile dengeli bir performans sunmuştur. B3 sistemi ise 570 s'de stabilizasyona ulaşmış, enerji açısından B1’e kıyasla daha verimli çalışsa da karışım homojenliğinde belirli dalgalanmalar gözlenmiştir (0,136 kWh). Gerçek zamanlı eğim analizi (dpH/dt), dinamik karıştırma performansını karakterize etmek için etkili bir ölçüt olarak belirlenmiştir. Bu bulgular, karıştırma hızı, enerji verimliliği ve çözeltinin stabilitesi arasındaki dengeyi vurgulayarak, gübre karıştırma sistemlerinin operasyonel önceliklere göre seçilmesine yönelik pratik rehberlik sunmaktadır. Çalışma, hassas tarım uygulamalarında kullanılacak gübre hazırlama teknolojilerinin geliştirilmesine katkı sağlamaktadır.

This study presents a comparative experimental investigation into the performance of one mechanical mixer (vertical shaft mixer, VSM) and three pneumatic mixing systems (B1, B2, B3) in the preparation of urea-based liquid fertilizer solutions. Key evaluation criteria included time to reach target pH, slope behavior of pH over time (dpH dt-1), pH stability, and energy consumption. All mixing trials were conducted using 20 kg of urea dissolved in 1 ton of water at ambient temperature (approximately 22–25 °C), providing a standardized baseline for evaluating system performance. Experimental data revealed that while the B1 pneumatic system achieved the fastest pH stabilization (460 s), it also exhibited notable instability in pH slope dynamics and had the highest energy consumption (0.19 kWh). In contrast, the VSM provided the most stable mixing behavior with minimal energy use (0.0555 kWh), although at a slower rate. The B2 system offered a balanced profile, stabilizing at 520 s with a moderate energy consumption of 0.133 kWh, while B3 reached stabilization in 570 s with slightly higher variability but improved energy efficiency over B1 (0.136 kWh). The B2 mixer emerged as an alternative, combining moderate mixing speed with acceptable energy efficiency and stability. Real-time slope analysis was found to be a useful metric for characterizing dynamic mixing performance. The findings underscore the trade-offs between speed, stability, and energy cost, providing practical guidance for selecting fertilizer mixing systems based on operational priorities. These results contribute to the optimization of fertigation technologies and support the development of efficient and reliable fertilizer preparation systems for precision agriculture.