WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:   || 2 | 3 |

Обоснование электротехнологических параметров и режимов низковольтного активатора для предпосевной обработки семян лука

-- [ Страница 1 ] --

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Хныкина Анна Георгиевна

ОБОСНОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

И РЕЖИМОВ НИЗКОВОЛЬТНОГО АКТИВАТОРА ДЛЯ

ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН ЛУКА

Специальность: 05.20.02 – электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н., доцент кафедры физики Рубцова Елена Ивановна Ставрополь

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ

АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ

ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН

Современные электротехнологические способы предпосевной 1.1 обработки семян Анализ электротехнического оборудования для предпосевной 1.2 обработки семян электромагнитным полем Анализ воздействия электрического поля на микофлору семян 1.3 Физические характеристики слоя семян и оценка степени 1.4 заполнения ими объема активатора Выводы и постановка задач научных исследований 1.5

ОБОСНОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ АКТИВАТОРА С

ДВИЖУЩИМСЯ СЛОЕМ СЕМЯН

Анализ однородности распределения напряженности 2.1 электрического поля в обрабатываемом слое семян внутри активатора Электрические параметры семян сельскохозяйственных 2.2 культур Анализ и расчет электрических схем замещения активатора 2.3 Обоснование технологического процесса перемещения слоя 2.4 семян и конструктивных особенностей активатора Выводы к главе 2.5

ПРОГРАММА, МЕТОДИКА И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Описание экспериментального оборудования 3.1 Программа и методика экспериментальных исследований 3.2 Экспериментальное определение коэффициента трения 3.3 скольжения семян лука. Производительность активатора Измерения временных характеристик генератора 3.4 высоковольтных импульсов напряжения, предназначенного для работы активатора Результаты исследований электрических характеристик 3.5 слоя семян лука Результаты лабораторных опытов по предпосевной обработке 3.6 семян лука с различной частотой следования импульсов Результаты лабораторных опытов по влиянию импульсного электрического поля при предпосевной обработке семян лука

ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

НИЗКОВОЛЬТНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ

ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН ЛУКА

Определение эффективности внедрения технологии за счет дополнительного дохода, полученного в результате прибавки Экономический эффект в виде чистого дисконтированного

ВВЕДЕНИЕ

сельскохозяйственных культур при их предпосевной обработке, наряду с обычными агротехническими приемами, имеет существенное значение в решении проблемы увеличения производства продукции растениеводства [12, 24, 66, 68, 83, 84, 135].

Экспериментальные данные отечественных и зарубежных исследователей свидетельствуют о том, что воздействие различными физическими факторами (электрическое поле, магнитное поле, СВЧ, радиоволны, лазер и т. д.) для активации семян дает практически одинаковый прирост урожая. Поэтому в выборе метода основную роль играют его доступность и экологическая чистота [1, 4, 11, 21, 23, 37, 63, 90, 134, 135, 148, 151, 162, 163, 165, 168].

Как показывают исследования, проведенные рядом авторов, наиболее стабильный положительный эффект на семена сельскохозяйственных культур достигается воздействием электрического поля [6, 9, 19, 31, 44, 47, 69, 92, 105, 110, 128, 131, 132].

Воздействие на семена электрическим полем можно разделить на два направления:

биологическое воздействие.

Физическое воздействие применяется для изменения пространственного положения семени при сепарации, это достигается созданием сильных электрических полей, при которых начинают проявляться, в том числе и коронные процессы [7, 8, 13, 25, 73, 95, 154, 155, 156, 157, 159].

Биологическое воздействие предназначено для улучшения посевных качеств семян, а также для воздействия на патогенную микрофлору.

Ряд опубликованных исследований оперирует данными напряженности поля в условном, воздушном зазоре без учета фактической напряженности поля в обрабатываемом слое семян [45, 47, 110, 117, 124]. Рассмотрение физических и электрических параметров слоя семян как электрической нагрузки для источника детально не исследовалось.

исследовании эффекта воздействия на семена электрического поля авторы использовали небольшие объемы семенного слоя. Электрические параметры слоя семян в малогабаритном активаторе позволяли авторам свободно оперировать широким спектром сигналов воздействия. При переходе на промышленный уровень в активаторе обработке подвергается большой объем слоя семян.

Реальные электрические параметры источника питания, активатора, а также слоя семян ограничивают диапазон электрических параметров возможных воздействий. Поэтому для промышленного освоения данных электротехнологий необходимо корректировать ранее определенные параметры режимов обработки семян.

Положительное воздействие электрического поля на семена обусловлено количественно дозированным энергетическим воздействием. Однако оценка воздействия по какому-либо одному из электрических параметров (напряженность электрического поля, частота и др.) недостаточна. Причиной является неоднородность обработки слоя семян.

В результате проведенных исследований в ФГБОУ ВПО «Ставропольский ГАУ» установлено, что перспективной электротехнологией является обработка семян сельскохозяйственных культур импульсным электрическим полем (ИЭП).

Проведенные исследования подтверждают, что ИЭП обладает как стимулирующим воздействием, значительно (до 23 %) улучшающим посевные качества семян, так и бактерицидным действием [44, 45, 47, 48, 103, 109, 137, 138]. Но до настоящего времени не было получено стабильных, устойчивых результатов. При движении в зоне обработки семена находятся различное время, движутся с различными скоростями, имеют различную толщину обрабатываемого слоя.

Известные установки по предпосевной обработке семян ИЭП созданы на основе активаторов работающих при больших амплитудах импульсов напряжения 15-25 кВ и соответственно потребляющих значительные электрические мощности 17 кВт-1МВт в пиковом режиме зарядки его электрической емкости. Снижение амплитуды импульсов напряжения позволило бы значительно уменьшить энергопотребление активатора и установки ИЭП в целом, сделать ее малогабаритной и применимой в полевых условиях.

В соответствии с изложенным, в диссертационной работе сформулирована цель исследования: обоснование параметров и режимов обработки слоя семян импульсным электрическим полем с разработкой низковольтного активатора для повышения их посевных качеств.

Объекты исследования: электротехнологические параметры, режимы работы, конструкция низковольтного активатора и слой семян.

Предмет исследования: зависимость физических и электрических свойств слоя семян, их посевных качеств (на примере семян лука) в объеме низковольтного активатора.

Методы исследования: решение поставленных задач основывается на известных теоретических положениях и экспериментальных данных технологии предпосевной обработки семян импульсным электрическим полем, математическом моделировании и математической статистике.

Сформулированы:

Научная гипотеза: повышение посевных качеств семенного материала может быть достигнуто за счет его обработки низковольтными импульсами напряжения, обеспечивающими требуемую дозу воздействия.

Рабочая гипотеза: рациональная толщина слоя семян и его максимальное уплотнение в объеме активатора позволяют создать однородную напряженность электрического поля требуемой величины и, как следствие, соответствующую дозу воздействия для повышения посевных качеств семян.

Задачи исследования:

Разработать конструкцию и исследовать электротехнологические режимы низковольтного активатора установки для предпосевной обработки семян ИЭП.

Исследовать влияние электротехнологических режимов активатора на предпосевную обработку семян ИЭП, стабильно улучшающих их посевные качества.

Построить математические модели методом регрессионного анализа, описывающие экспериментальные результаты исследований влияния параметров импульсного электрического поля и времени обработки на посевные качества семенного материала лука.

Подготовить техническое задание на изготовление макетного образца установки и выполнить технико-экономическое обоснование с целью внедрения способа предпосевной обработки семян низковольтным импульсным электрическим полем в хозяйствах края.

Научную новизну работы составляют:

низковольтного активатора ИЭП, обеспечивающие требуемые дозы воздействия для улучшения посевных качеств семенного материала (на примере семян лука).

Регрессионные модели влияния параметров ИЭП (времени обработки, напряжения, частоты и длительности импульсов) на изменение посевных качеств семенного материала (на примере семян лука).

Амплитудная доза воздействия импульсного электрического поля для высоковольтной и низковольтной обработки семян в рациональных режимах имеют близкие значения, что качественно объясняет возможность применения низковольтного активатора для предпосевной обработки.

Теоретически рассчитанные и подтвержденные экспериментально результаты исследования физических и электрических характеристик семенного слоя позволяющие добиться однородности предпосевной обработки с требуемой напряженностью электрического поля и дозой воздействия.

Практическую значимость работы составляют:

низковольтного активатора ИЭП, обеспечивающие повышение посевных качеств семенного материала (на примере семян лука);

рациональные режимы и параметры ИЭП, повышающие посевные качества семенного материала и снижающие патогенную микофлору;

макетный образец установки для предпосевной обработки семян различных культур ИЭП низкого напряжения, позволяющий сократить время предпосевной обработки семян, повысить урожайность и тем самым обеспечить возможность создания непрерывной технологической линии подготовки семян в производственных условиях.

Основные положения, выносимые на защиту:

активатора установки для предпосевной обработки семян ИЭП.

Регрессионные модели влияния параметров ИЭП низкого напряжения на посевные качества семенного материала (на примере семян лука).

электрических характеристик семенного слоя (на примере семян лука).

предпосевной обработки семян ИЭП низкого напряжения.

Реализация результатов работы. Результаты исследований применяются в учебном процессе и в ЗАО «Совхоз имени Кирова» Труновского района Ставропольского края. Достоверность полученных результатов подтверждается применением при проведении измерений стандартизированных приборов и оборудования, применением стандартных методов обработки данных, совпадением ряда результатов с результатами, полученными другими исследователями, протоколами аккредитованной учебно-научной испытательной лаборатории (УНИЛ) ФГБОУ ВПО «Ставропольский ГАУ», публикациями и оценкой результатов работы на конференциях.

74-й научно-практической конференции «Молодые аграрии Ставрополья»

(Ставрополь, 2010 г.), международной научно-технической конференции «Наука и образование – 2010» (Мурманск, 2010 г.), V международной научнопрактической конференции «Альянс наук: ученый-ученому» (Украина, 2010 г.), Российской научно-практической конференции «Физико-технические 6-ой проблемы создания новых технологий в АПК» (Ставрополь, 2011 г.), Всероссийской научной конференции «Научно-техническое обеспечение АПК Юга России» (Зерноград, 2011 г), программа «УМНИК-2011», программа «СТАРТ-2011» (гос. контракт № 9363р/15132 от 30.05.2011), Российская Биотехнологическая выставка-ярмарка «РосБиоТех» (Санкт-Петербург, 2011- г.), II Международной научной заочной конференции «Естественнонаучные вопросы технических и сельскохозяйственных исследований» (Москва, 2011 г.), выставка «Русь-Агро», (Москва, 2012-2013 г.), патент на изобретение RU C2 МПК A01C1/00. По результатам исследований опубликовано 19 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура работы:

Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы из 168 наименований и 47 страниц приложений. Основное содержание работы

изложено на 121 странице компьютерного текста, включая 20 таблиц, 42 рисунка.

АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ

ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН

Современные электротехнологические способы предпосевной Использование достижений науки и передовых технологий, направленных на повышение урожайности и улучшение качества выращиваемых сельскохозяйственных культур, является одним из главных факторов повышения экономической эффективности сельскохозяйственного производства. Проблема повышения посевных, урожайных качеств семян и адаптивных свойств растений, выращенных из них, получение экологически чистой продукции остается актуальной и в настоящее время [24, 38, 46, 106, 107].

Известно, что технология подготовки семян к посеву направлена на улучшение их биологических свойств, стимуляции, защите от болезней и вредителей, повышению стойкости к стрессовым условиям. Повысить посевные качества семян можно воздействуя различными приемами на процесс их прорастания, становления проростка и повышения продуктивности растений. Это физические, биологические, химические, и другие приемы, которые способствуют улучшению качества семян (рисунок 1.1) [2, 5, 10, 14, 15, 57, 85, 107, 108, 111, 114, 115, 122, 133, 135, 136, 152, 153, 160, 161].

В сельскохозяйственном производстве для повышения урожайности семян традиционно применяют химические средства. Наряду с ними, для борьбы с семенной инфекцией и с болезнями вегетирующих растений используют регуляторы роста, соли микроэлементов, микроудобрения [53].

Недостатками химической предпосевной обработки являются: низкая экологическая чистота препаратов, накопление их в биомассе растений и, что немаловажно, влияние на генетическую структуру [153]. Отдельные гербициды и стимуляторы содержат соли тяжёлых металлов, не разлагающиеся в природных условиях и попадающих в организм человека и животных. Это приводит к интоксикации организма и хроническим заболеваниям [5, 166].

Рисунок 1.1 – Классификация известных методов предпосевной обработки Препараты, изготовленные на основе продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, грибов, суспензий, бактерий, относят к биологическим методам стимуляции роста растений. Они в среднем повышают урожайность семян до 10 % [85].

Нужно отметить, что бактериальные препараты в меньшей степени воздействуют на окружающую среду и быстрее инактивируются, чем химические.

Биологические средства имеют следующие недостатки: трудности в определении рациональных доз внесения препаратов, причем как в семенную массу, так и в растворы при опрыскивании растений, ряд биологических препаратов обладает аллергенным действием.

Все больший интерес вызывают физические методы воздействия на семена.

К таким методам можно отнести ультразвук, ионизирующие излучения, электромагнитные поля, фотоэнергетическое воздействие, термическую обработку и пр. [27, 50, 67, 111, 114, 133, 135].

сельскохозяйственных культур используют с целью повышения их всхожести и снижения заражённости патогенной микофлорой. Например, главным недостатком термического метода воздействия является длительность обработки посевного материала [67].

Неоднозначность влияния звуковых колебаний на внутриклеточные процессы, проходящие в семени, отражена в результатах многих исследователей [34]. Данный метод отодвигается по значимости в разряд весьма дорогостоящих, поскольку имеет значительную стоимость оборудования и источников ультразвуковых колебаний.

Инфракрасное, ультрафиолетовое, лазерное облучение и др. относят к фотоэнергетическим методам обработки семян, позволяющим увеличивать урожай до 11-12 %. Отсутствие повторяемости результатов облучения семян является основным его недостатком [27].

С помощью физико-механического метода осуществляется предпосевная обработка семенного материала способом барботации в водной среде воздухом или кислородом при нормальной физиологической температуре семян в 18-20 °С.

Этот способ улучшает влагопоглощение за счет повышения проницаемости семенной кожуры, приводя к увеличению всхожести [166]. Несмотря на простоту цикла обработки, данный способ весьма длителен и небезопасен (взрыво - и пожароопасен при работе с кислородом).

Наиболее широко используется электромагнитное поле для предпосевной обработки семян с целью улучшения их посевных и урожайных качеств. Это связано с возможностью сравнительно быстро и просто осуществлять регулирование и контроль над режимами обработки, проводить автоматизацию процесса воздействия.

Как в нашей стране, так и за рубежом эти исследования проводят в основном по следующим направлениям:

воздействие на посевные качества семян;

на физиолого-биохимические процессы в растительном организме;

на рост и развитие растений в процессе органогенеза;

на урожайность сельскохозяйственных культур [20, 36, 38, 39, 52, 75, 79, 93, 102, 125].

Экспериментальные данные отечественных и зарубежных исследователей свидетельствуют о повышении биологической активности при использовании электромагнитных полей различных частот.

Эффекты воздействия электромагнитных и магнитных полей (постоянных, переменных, комбинированных) на биологические объекты достаточно хорошо описаны в литературе. Воздействие эффекта зависит от ряда параметров:

мощности и частоты приложенного поля. Различают электромагнитные и магнитные поля высокой (106-107 Гц) и очень высокой (107-108 Гц) частоты, а также ультравысокочастотные (108-109 Гц), сверхвысокочастотные (109-1010 Гц) и ионизирующими излучениями и не вызывая необратимых химических изменений в живой системе, возбуждают когерентные колебательные и вращательные режимы и вызывают биологические эффекты, требующие количества энергии ниже уровня ионизационных потенциалов. Клетки и их мембраны способны использовать энергию внешних электромагнитных полей. Они превращают ее в энергию молекулярных и клеточных процессов [50, 102].

Ученые Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики проводили исследования по влиянию электрического поля коронного разряда (ЭПКР) напряженностью от 1 до 6 кВ/см и некогерентных световых импульсов (НСИ) при предпосевной обработке семян и вегетирующих растений на развитие и урожайность овощных культур. Было выявлено, что все использованные в эксперименте режимы физического воздействия на семена овощных культур оказывают стимулирующий эффект. В результате исследований установлено, что для повышения урожайности овощных культур наиболее рациональными являются следующие режимы:

для ЭПКР: напряженность электрического поля 3,5 кВ/см и 5 кВ/см;

для НСИ: режим с запасенной суммарной электрической энергией источника питания 80 кДж [116, 117, 118].

Влияние микроволнового поля на овощебахчевые культуры исследовали ученые Украины на установке «Артемида» (частота 2450 Гц, мощность 1,6 кВт) в режимах от 30 до 180 сек. В результате опытов выявлено, что всхожесть обработанных семян превышает контроль на 4 - 18 %в зависимости от культуры и исходных данных, что в определенной степени повышает их жизнеспособность [59, 60].

Можно отметить, что использование положительного действия электромагнитных излучений как стимулятора жизнеспособности семян с одновременным губительным действием на возбудителей заболеваний семян и растений основано на различной чувствительности растений и сопутствующих им микроорганизмов к этим видам излучений [15, 71, 83, 106, 132].

Ряд ученых отмечает, что эффект усиления или угнетения роста растений и прорастания семян зависит от применяемой напряженности электрического поля.

В опытных вариантах луковицы лука репчатого обрабатывались в электрическом поле коронного разряда напряженностью 200 кВ/м (величина тока разряда не приведена) с экспозицией 0,5–40 с. Эффективность обработки определяли по следующим показателям: число, высота и суммарная длина листьев на одном растении, ширина листовой пластины, общая масса, сырой и сухой вес листьев с одного растения. Результаты опытов подтвердили гипотезу о существовании стимулирующего и угнетающего действия ЭП на растения. При высадке луковиц лука в день обработки стимулирующий эффект наблюдался при экспозиции 2 с, а угнетающий – 20–40 с. У растений, высаженных на десятые сутки, наблюдался максимальный положительный эффект. По мнению автора, это можно объяснить влиянием электрического поля, обеспечивающим снятие периода покоя и активацией ростовых процессов у растений лука репчатого на этапе органогенеза.

При выгонке лука-репка на перо в осенне-зимний период снижен процент непроросших луковиц с 15–18 % до 5 % за счет выведения их из состояния покоя.

Кроме этого, электрическое поле обеспечивало более раннее прорастание и получение зеленой продукции (на 4-6 дней). При этом увеличивается длина и ширина листьев, их количество и вес на 15–38% по отношению к контролю [113].

электромагнитная обработка семян, по сравнению с другими методами, не сопряжена с трудоемкими и дорогостоящими операциями, не оказывает вредного воздействия на обслуживающий персонал (как, например, химическая обработка), является технологичным и автоматизируемым процессом. Электромагнитное воздействие легко и точно дозируется, является экологически чистым видом обработки, легко включается в существующие технологические линии подготовки семян в производственных условиях [69]. Важным является и тот факт, что растения, выросшие из обработанных семян, не имеют в дальнейшем патологических изменении и индуцированных мутаций [88]. Многие авторы показывают, что воздействие электромагнитного поля увеличивает количество продуктивных стеблей, количество колосков, среднюю длину растений и колоса, увеличивает количество зёрен в колосе и, соответственно, массу зерна. Всё это приводит к увеличению урожайности на 10-15 % [52].

Приблизительно с 1995 года в Ставропольском государственном аграрном университете (СтГАУ) на кафедре «Физика» сложилось научное направление по исследованию влияния на посевные качества семян сельскохозяйственных культур электромагнитных полей различной природы и характеристиками постоянного отрицательного поля коронного разряда (ПОКР), переменного магнитного поля промышленной частоты (ПМП), импульсного электрического поля (ИЭП) [15, 20, 21, 22, 23, 36, 45, 47, 76, 96, 103, 110, 137, 138].

Доказано, что электромагнитное поле влияет на скорость и величину водопоглощения семян [51, 70]. Процесс поглощения можно рассматривать как физический процесс диффузии жидкости через оболочку семени. Чрезвычайно важен этап, когда семя находится в состоянии покоя и биологические механизмы набухания еще не запущены. В это время создаются предпосылки для выхода семян из состояния покоя, формируются условия для получения дружных всходов, повышения урожайности.

Ф. И. Бобрышев, В. М. Редькин, Г. П. Стародубцева, Ш. Ж. Габриелян изучали особенности предпосевной обработки семян различных культур в электромагнитных полях (ПОКР, ПМП). Такая обработка способствует интенсивности дыхания уже на начальных этапах роста и развития растений, что способствует формированию более мощных растений, при этом улучшается качество продукции [20, 21, 22, 23, 30, 36, 123].

Экспериментально установлено, что предпосевная обработка семян ИЭП является одним из перспективных методов, поскольку улучшает не только посевные качества семян, но и обладает бактерицидным, ингибирующим воздействием на микоцеты (плесневые грибы: Fusarium sp., Aspergillus sp., Penicillum sp., Rhizopus sp., Mucor sp., Alternaria sp.).

Хайновским В.И., Рубцовой Е.И. проведены исследования по влиянию высоковольтного импульсного электрического поля на посевные качества семян высоковольтного импульсного напряжения, амплитуда импульсов напряжения менялась в диапазоне (315)·103 В, а частота следования импульсов от 21 Гц до 300 Гц. Экспериментально установлено существенное уменьшение времени обработки с увеличением частоты импульсов напряжения, что позволило оптимизировать режим обработки. В результате обработка семян сои ИЭП в рациональных режимах повысила энергию прорастания на 19-21 %, а всхожесть на 15-18 %, прибавка урожайности опытного участка по отношению к контролю составила 5,6 ц/га [110, 137, 138].

Дульским А.В., Стародубцевой Г.П., Хайновским В.И. выполнены исследования по предпосевной обработке семян моркови сорта «Витаминная 6»

эффективность влияния ИЭП на посевные качества семян зависит как от режима обработки, так и от времени отлежки семян после обработки. При этом наблюдалось увеличении энергии прорастания семян моркови на 7-12,5 % и всхожести на 5-10,5 % по сравнению с контролем [47, 48].

Известно, что предпосевная обработка электромагнитными полями применяется для семян, имеющих изначально низкие посевные качества (например, «старых» семян). Предпосевная обработка импульсным электрическим полем семян сахарной свеклы с низкими посевными качествами, проведенная Г. П. Стародубцевой, В. И. Хайновским, Д. В. Даниловым улучшила их посевные качества. Эксперимент был проведен на дражированных семенах сахарной свеклы сорта Крета. Напряженность поля в межэлектродном пространстве активатора составляла 350-500 кВ/м в диапазоне частот 20-300 Гц.

Время отлежки семян после обработки трое суток. В результате наблюдалось увеличение лабораторной всхожести и энергии прорастания у обработанных ИЭП семян соответственно на 15 – 20 % и 25 – 28 % по сравнению с контрольными образцами. Этот эффект авторы объясняют энергетическим воздействием на обрабатываемые семена частотных составляющих спектра частот ИЭП [44, 45].

Анализ изученной литературы показывает, что при различных значениях параметров электромагнитных полей, используемых для обработки посевного материала, меняются и эффекты их воздействия. При этом эффект влияния зависит от силовых и энергетических характеристик полей (частота, характер изменения и время воздействия). Кроме того, влияние могут оказывать также некоторые сопутствующие факторы [125, 135].

Предпосевная обработка семян ИЭП является одним из эффективных способов, обладающих одновременно стимулирующим и бактерицидным действием, что подтверждено результатами исследований ученых Ставропольского ГАУ. Необходимо расширять исследования в этом направлении на большее число сельскохозяйственных культур как крупносеменных, так и мелкосеменных с целью определения рациональных режимов обработки семян ИЭП и выяснения механизмов воздействия поля на них. Актуальной задачей также является уменьшение амплитуды напряжений ИЭП, что позволит создавать активаторы по обработке семян с меньшим энергопотреблением, более безопасными в работе, более компактными и мобильными для использования их в полевых условиях.

Анализ электротехнического оборудования для предпосевной обработки семян физическими факторами особое внимание уделялось на ряд функций, которыми, по нашему мнению, должна обладать каждая из рассматриваемых установок. К таким функциям мы относим, например, перемещение слоя семян и создание однородного электрического поля.

При перемещении семян должны выполняться следующие условия:

точность заданной скорости перемещения слоя;

поддержание точной геометрии слоя семян при перемещении;

диапазон изменения скорости перемещения;

диапазон изменения геометрических размеров.

При создании электрического поля в слое семян необходимо учитывать:

мощность электропитания;

частоту импульсов, диапазон изменения частоты;

импульсов;

величину напряжения, диапазон изменения напряжения.

Использование энергии электромагнитного поля различной частоты существенно расширяет возможности электротехнологии в сельском хозяйстве.

Широкое применение устройств электромагнитного воздействия на биосистемы в сельскохозяйственном производстве перспективно [54, 61, 72, 74, 77].

электромагнитного поля необходимы устройства, отвечающие необходимым требованиям. В результате информационного и патентного поиска были найдены установки, предлагаемые рядом авторов для предпосевной обработки семян электромагнитными полями.

Установка для предпосевной обработки семян (рисунок 1.2), содержит вертикальный индуктор, выполненный из двух изолированных электродных параллельных пластин. В нижней части индуктора имеется заслонка для регулирования количества просыпаемых семян. Над индуктором размещается конусный бункер для подачи семян в индуктор. Индуктор подключен к высоковольтному трансформатору. Установка имеет статический преобразователь, обеспечивающий изменение частоты и напряжения [98].

Рисунок 1.2 – Установка для предпосевной обработки семян в электрическом поле: 1 - регулируемый статический преобразователь частоты;

2 – высоковольтный трансформатор; 3 – электроды индуктора Недостатками данного устройства являются:

Отсутствие регулировки межэлектродного расстояния.

Внешнее расположение высоковольтного электрода ухудшающего безопасность работ.

напряженности электрического поля в слое семян, так как движение семян идет хаотическим просыпанием).

движения и застоя семян, вследствие чего происходит изменение толщины слоя, что приводит к передозировке воздействия электрического поля.

Большой зазор между слоем семян и электродом, созданный толщиной ленты и воздушным промежутком, требующий избыточно большого напряжения источника питания, а следовательно, и более сложного и дорогого источника питания.

Лучше организован процесс перемещения семян в другой установке для предпосевной обработки семян (рисунок 1.3). Установка содержит камеру обработки в виде наклонной диамагнитной трубы, расположенной внутри электромагнитного индуктора, где угол наклона трубы определяет время пребывания семян в активной зоне [100].

Рисунок 1.3 – Установка для предпосевной обработки семян в магнитном поле:

1 – загрузочный бункер; 2 – приёмный бункер обработанного материала;

3 – диамагнитная труба; 4 – цилиндрический корпус из ферромагнитного материала; 5 – магнитопровод, охватывающий намагничивающуюся катушку; 6 – центрирующая втулка из немагнитного материала Недостатками данного устройства являются:

Нестабильность скорости перемещения семян, а следовательно, и нестабильность продолжительности обработки семян.

Неравномерность распределения магнитной индукции в рабочей камере в зависимости от радиуса сечения.

Известна установка для предпосевной обработки семян (рисунок 1.4), состоящая из регулируемого статического преобразователя частоты, подключенного на вход высоковольтного трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к вертикальным электродам индуктора. Индуктор в верхней части снабжен штоком из диэлектрического материала, служащего для изменения расстояния (или угла наклона) между электродами. Над индуктором установлен бункер с зерном. Такое конструктивное исполнение индуктора дает возможность изменять расстояние между электродами на их длине. Напряженность электрического поля изменяется от минимальной в верхней части до максимальной в нижней [101].

Рисунок 1.4 – Устройство для обработки семян: 1- регулируемый статический преобразователь частоты; 2 – высоковольтный трансформатор; 3 – электроды индуктора; 4 – шток из диэлектрического материала Данное устройство усложняет выбор и задание технологического режима обработки, так как переменными являются величина напряженности в слое семян, толщина слоя, скорость передвижения, экспозиция.

Недостатками данного устройства являются:

Неравномерная регулировка межэлектродного расстояния.

Внешнее расположение высоковольтного электрода ухудшающее безопасность работ.

Неравномерность толщины слоя семян.

Отсутствие устройства регулирования потока семян.

Большой зазор между слоем семян и электродом, созданный толщиной ленты и воздушным промежутком.

Шмигель В.В., Ниязов А.М. предложили машину для предпосевной обработки семян в электрическом поле (рисунок 1.5). Она содержит загрузочный бункер, потенциальный и заземленный плоский электроды, между которыми расположена верхняя ветвь прорезиненной ленты транспортера со сплошными диэлектрическими бортами высотой 6,5 см и слоем семян высотой 5 см на ленте [99].

Рисунок 1.5 - Машина для предпосевной обработки семян в электрическом поле: 1 – загрузочный бункер; 2 – ленточный транспортер; 3 – привод; 4 заземленный электрод; 5 – потенциальный электрод; 6 – диэлектрический борт из Недостатками данного устройства являются:

Отсутствие регулировки толщины слоя семян.

Невозможность обеспечения стабильной толщины слоя семян, и, следовательно, стабильной напряженности поля из-за перемещения ленты.

Внешнее расположение высоковольтного электрода ухудшающее безопасность работ.

Значительное потребление энергии на транспортирование массы семян.

Анализ воздействия электрического поля на микофлору семян Высокая заселенность семян патогенной микофлорой очень часто является причиной их низких посевных качеств. Развитие различных видов плесени приводят к ощутимым потерям при посевах. Появление плесени может быть вызвано как наличием почвенных грибков, так и грибковым заражением семян [65, 82]. Существует множество способов предпосевной борьбы с микофлорой, но, ни один из них не дает стопроцентной гарантии на успех. Патогенные грибы начинают свою бурную деятельность во влажной и теплой среде и за несколько часов могут уничтожить весь посев. Вредоносная микофлора располагается как на поверхности, так и внутри семян. Поверхностную микофлору можно удалить протравливанием семян, но против глубоких поражений фунгициды, особенно при борьбе с грибками рода Fusarium, малоэффективны [14, 15, 59, 60, 62, 64].

В настоящее время большое внимание уделяется поиску и исследованию альтернативных химическому методу приемов защиты сельскохозяйственных культур. Одним из перспективных методов, по мнению ряда ученых, является предпосевная обработка семян электромагнитными полями [2, 14, 30, 55, 56, 62, 87, 88, 104, 108, 120, 121, 122, 144, 149, 150, 158, 160].

Учеными Ставропольского государственного аграрного университета проведен ряд экспериментов по влиянию электромагнитного поля на патогенную микофлору различных культур. При обработке в электрических полях происходит очистка семян в среднем на 75–90 % от спор различных фитопатогенов и пыли уничтожение которой, приводит к исчезновению микофлоры [2, 115, 120, 121, 122, 138, 144]. В результате обработки семена, некондиционные по головне, Электромагнитная обработка семян, зараженных фитопатогенами, приводит к токсинообразования и вирулентности [122].

В Челябинском институте механизации и электрификации сельского хозяйства разработан прием предпосевной обработки семян постоянным электрическим полем, улучшающий посевные, урожайные качества семян и снижающий поражаемость посевов головневыми заболеваниями [55, 56, 62].

Учеными Ижевской ГСХА и Костромской ГСХА также отмечено угнетение роста и развития болезнетворных организмов в результате воздействия электростатического поля высокой напряженности, устойчивость растений к действию токсинов одного из возбудителей корневой гнили повысилась в 3– раза [89, 158].

Изучение влияния переменного электромагнитного поля промышленной частоты на микофлору семян ячменя были проведены в Ставропольской ГСХА совместно с ВНИПТИМЭСХ (г. Зерноград). В результате исследований зараженность грибами рода Alternariа sp. в среднем снизилась на 26% [64, 65].

Мищенко А. А. и др. разработали экологически безопасный метод дезинфекции зерна с помощью высокочастотных электромагнитных полей (ВЧполей). Установлено, что наиболее эффективно сочетание ВЧ-излучения (10 МГц) с вакуумной обработкой, а также ВЧ - плазмы с молекулами озона (О3) для угнетения развития спор грибов и амбарных вредителей [35].

Установлено (Летова А.Н., Зейналов А.А.), что СВЧ-излучение оказывает угнетающее действие на обеззараживание грибной инфекции сахарной свеклы (фомоз, фузариоз), на патогенную микофлору, возбудителей основных болезней картофеля (фитофтороза; сухая, мокрая, кольцевая гнили; вирусы), семян ячменя (корневая гниль), в том числе и на вирусы сельскохозяйственных культур [74].

Стародубцевой Г. П., Безгиной Ю. А., Авдеевой В. Н. исследовано совместное использование электрических и химических методов защиты растений от болезней. Применение электрических полей, по их мнению, позволяет снизить дозу фунгицида в 2–4 раза без ухудшения эффекта обеззараживания. Для сравнительного изучения действия на патогенную микофлору химического препарата «МикоКарб» и ПОКР использовали зерно со 100 % заражением плесневыми грибами. После обработки зерна препаратом «МикоКарб»

количество грибов снизилось в 1,5–2,5 раза, а уровень токсичности исследуемого зерна снизился только до умеренного. При обработке зерна озимой пшеницы ПОКР с экспозицией 70 секунд число колоний гриба Alternaria уменьшилось на 12 %, Penicillium – на 16 %, Fusarium – на 20 %, а Aspergillus – на 15 % по сравнению с контролем [2, 14, 15, 30, 115, 122, 160].

сельскохозяйственных культур при их предпосевной обработке электрическим полем имеет место и эффективное фунгицидное и инсектицидное воздействие на семена. Однако применение рассмотренных факторов для обеззараживания семян сельскохозяйственных культур требует тщательного исследования, так как хороший результат может быть достигнут только при точном определении и последующем соблюдении режимов и параметров обработки.

1.4. Физические характеристики слоя семян и оценка степени заполнения Для формирования электрических параметров и описания процессов, происходящих в активаторе при наличии движущегося слоя семян, необходимо учитывать ряд факторов.

Одним из немаловажных факторов является строение семян растений.

Структурной и функциональной единицей семени является клетка, имеющая, помимо биологических, химических свойств, ряд физических характеристик.

Например, электрическое сопротивление мембраны - 106 Ом и более, протоплазмы - 103 Ом и более; относительная диэлектрическая проницаемость мембраны - 2-9; протоплазмы - 40-80 [80].

Неоднородность составных компонентов различной семенной массы обусловливает её физические свойства. Эти особенности также учитываются при разработке технологических схем работы активатора с движущимся слоем.

Семенная масса обладает хорошей сыпучестью. Степень сыпучести неодинакова и зависит от формы, размера, состояния и характера поверхности семян, а также от формы и состояния поверхности, по которой они перемещаются [147].

Наибольшую сыпучесть имеют партии, состоящие из семян шарообразной формы с гладкой поверхностью.

Сыпучесть характеризуется двумя показателями: углом естественного откоса и углом трения. За угол естественного откоса принимают угол между диаметром основания и образующей конуса, получающегося при свободном падении семян на горизонтальную плоскость. Чем меньше угол естественного откоса, тем больше сыпучесть [147].

Углом трения семян о поверхность считается наименьший угол, при котором они начинают самотёком перемещаться по наклонной плоскости.

Величина угла естественного откоса будет равна углу трения семян между собой.

При проектировании уклона днищ бункеров, а также при выборе угла наклона самотёчных транспортеров выбирают наибольшие углы трения. В лабораторных условиях угол естественного откоса определяют методом высыпания семян из воронки [81].

Необходимо также учитывать, что семена содержат определенное количество влаги. В кондиционных семенах содержание влаги составляет (9-15 %). Это не позволяет принимать семена в виде идеального диэлектрика.

Вода является сильнополярной жидкостью ( = 88) с низким удельным сопротивлением порядка 10 10 Ом м. Сложный и неоднородный химический состав различных частей семян обуславливает процессы, происходящие внутри них при электрическом воздействии. Диссоциация на ионы и молекулы способствует уменьшению электрического сопротивления. Возрастание приложенного напряжения приводит к увеличению подвижности ионов, образованию объемных зарядов и в итоге к снижению сопротивления. При высоких напряжениях происходит вырывание электронов из атомов, создаются условия для пробоя. Поэтому количественная оценка электрических параметров семян не может ограничиваться только диэлектрической проницаемостью.

Обязателен учет величин объемной, поверхностной электропроводности, а также пробивного напряжения [145].

Семенной слой является составной структурой, состоящей из двух компонентов: семян и воздуха. Двухкомпонентные структуры разделяют на два типа: матричные и взаимопроникающие. Слой семян допустимо принимать матричной структурой, в которой воздух является матрицей, а семена наполнителем [143].

Известны научные публикации, в которых рассматриваются теоретические расчеты степени заполнения семенами объема [140, 141]. В частности, наименьшая степень заполнения объема, равная / 6 0,523, получается при структурном расположении семян, согласно рисунку 1.6:

Рисунок 1.6 – Модельные (теоретические) способы заполнения семенами эллипсоидальной формы измерительного объема (степень заполнения 0,523 ) Наиболее плотная степень заполнения семенами объема достигается для двух известных способов заполнения: в уплотненном «прямоугольном порядке»

(для вида сверху) – рисунок 1.7 и в случае уплотненного «шахматного порядка»

(вид сверху) – рисунок 1.8. Достигаемая степень заполнения семенами объема соответственно равна 0,737 и 0,740.

Следовательно, теоретические расчеты дают значение степени заполнения семенами объема в диапазоне В качестве еще одного абстрактного примера, иллюстрирующего «цилиндрической» формы, можно рассмотреть структуру на рисунке 1.9.

Рисунок 1.7 – «Прямоугольный» способ заполнения семенами сферической формы измерительного объема для 0,737 : а) вид сверху; б) вид сбоку Рисунок 1.8 - «Шахматный» способ заполнения семенами сферической формы измерительного объема для 0,740 : а) вид сверху; б) вид сбоку Рисунок 1.9 – Способ заполнения семенами цилиндрической формы измерительного объема (вид сбоку) для 0,785 : а) цилиндры в соседних кубических ячейках расположены параллельно; б) цилиндры в соседних Известны экспериментальные измерения, выполненные методом вытеснения семенами объема воды, по определению наибольшей степени заполнения объема семенами следующих культур: сои, гороха, пшеницы, гречихи, проса [140, 141]. Семена этих культур имеют как разную форму, так и геометрические (в том числе объемные) размеры.

Таблица 1.1 – Степени заполнения объема семенами сельскохозяйственных культур, а также их масса и объем Семена лука по размерам и объему меньше семян гречихи, но больше семян проса. Поэтому для них искомая степень заполнения объема может быть выбрана равной 0,65, т.е. 65 %.

В образовании однородной структуры заполнения объема большое значение имеет гранулометрический состав. Каждое зерно соприкасается в нескольких точках с другими зернами.

Рассмотрим схему контактного соприкосновения семян между собой, представленную на рисунке 1.10.

Толстой линией очерчен основной контур семени, тонкими линиями снаружи — контурная линия отложений на основной поверхности. Эти отложения образуются вследствие поверхностной пленки влаги, пыли, а также грибковых и бактериальных образований. Поверхностный слой этих отложений является одной из составляющих, определяющих величину поверхностной проводимости семян. Наружные области соприкасаются между собой по плоскостям, диаметры которых обозначены буквами АВ.

Рисунок 1.10 – Схема соприкосновения 2-х шарообразных семян В общем случае число контактов семян между собой является случайной величиной и будет зависеть от геометрической формы активатора, формы и размеров семян, способов их засыпки и перемещения. Например, при неплотном 1000 см2 на 52,4 % и в соприкосновениях дают только 3 % поверхностей контакта. При плотном размещении объема семена заполняют 74,1 % пространства и дают 6 % поверхностей контакта [159]. Поэтому значения электрических параметров слоя семян: электрической емкости и сопротивления «утечки» - определяются как формой и размером семян, так и степенью заполнения ими объема активатора.

Проведенный качественный анализ подтверждает вывод о том, что степень заполнения семенами объема активатора и их влажность являются определяющими факторами в выборе рационального режима работы при предпосевной обработке.

Проанализировав научные публикации по вопросу использования импульсного электрического поля для предпосевной обработки семян мы сделали следующие выводы:

доза обработки, получаемая семенным материалом, не одинакова, так как при движении в зоне обработки семена находятся различное время, движутся с различными скоростями, имеют различную толщину обрабатываемого слоя;

недостаточно изучены электрические процессы, происходящие в семенном слое;

все исследования носят исключительно экспериментальный характер;

нет обоснованных и сформулированных данных по напряженности в слое семян.

Патентный обзор показал, что используются установки с различными электрическими и геометрическими параметрами;

во всех случаях указывается величина напряженности поля в зоне обрабатываемых семян, однако недостаточно исследовано ее рациональное значение;

нет систематизированных и обоснованных данных об оптимальных размерах толщины слоя семян, воздушного зазора, соотношения размеров толщины слоя и зазора.

В связи с этим нами сформулированы следующие задачи исследования:

Разработать конструкцию и исследовать электротехнологические режимы низковольтного активатора установки для предпосевной обработки семян импульсным электрическим полем.

Исследовать влияние электротехнологических режимов активатора на предпосевную обработку семенного материала лука ИЭП, стабильно улучшающих его посевные качества. На основании полученных результатов разработать инженерную методику определения рациональных режимов работы указанного активатора.

Построить математические модели методом регрессионного анализа, описывающие экспериментальные результаты исследований влияния параметров импульсного электрического поля и времени обработки на посевные качества семенного материала лука.

Подготовить техническое задание на изготовление макетного образца установки и выполнить технико-экономическое обоснование с целью внедрения способа предпосевной обработки семян низковольтным импульсным электрическим полем в хозяйствах края.

2. ОБОСНОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И

РЕЖИМОВ НИЗКОВОЛЬТНОГО АКТИВАТОРА С ДВИЖУЩИМСЯ

СЛОЕМ СЕМЯН

2.1. Анализ однородности распределения напряженности электрического поля в обрабатываемом слое семян внутри активатора В исследовательских опытах, как правило, используются активаторы со значительным воздушным промежутком между электродом и верхним слоем семян [45, 47, 110, 137, 138]. Воздушный промежуток фактически является токоограничивающим сопротивлением, на котором падает избыточное напряжение, подводимое к активатору. Этот промежуток препятствует прохождению значительного тока проводимости, который может вызвать повреждение семян. Реально на слой семян падает только часть напряжения, значительно меньше подводимого к электродам. Поэтому при разработке и создании промышленных установок избыток напряжения на воздушном промежутке должен быть сведен к минимуму для того, чтобы максимально снизить напряжение источника. Этот факт необходимо учитывать при исследовании слоя семян как электрической нагрузки с целью получения достоверных данных о напряженности поля в слое.

Семенная масса, подвергаемая обработке, в слое гетерогенна, так как состоит из двух компонентов: семян и воздуха. Плотность и количество воздушных включений этой структуры может быть различной по всему объему.

Анализ материалов ряда авторов показывает, что в активаторе обработка слоя семян проводится при наличии воздушного зазора между слоем семян и электродом [45, 47, 110, 130]. Возможны следующие комбинации состояния слоя семян в электродной зоне активатора:

неуплотненный слой в свободном вертикальном падении;

слой на изолированной подложке без касания электродов;

слой с односторонним касанием электрода;

К этому перечню следует добавить разрабатываемый в данной работе вариант: слой с двухсторонним касанием электродов (без воздушного зазора), в котором, по нашему предположению, легче контролировать токи и напряженность поля. Это важно, так как для обработки семян обязательным требованием является именно однородность напряженности электрического поля во всех сечениях слоя, находящегося в активаторе. При свободном формировании слой не имеет строго одинаковой толщины, следовательно, напряженность электрического поля вдоль него различна.

Рассмотрим активатор с односторонним касанием электродов слоем семян.

Слой с односторонним касанием электрода соответствует наличию однородной изоляционной прослойки между вторым электродом и слоем семян. Эта прослойка может быть воздушной или из диэлектрического материала. Условно в этом случае можно принимать межэлектродное пространство как двухслойный конденсатор, в котором один слой семенной. Для упрощения анализа можно принять семенной слой как однородный диэлектрик с известными характеристиками средней диэлектрической проницаемости и проводимости.

Поле и напряжение в межэлектродном пространстве активатора в этом случае можно анализировать по теории многослойного конденсатора [94].

Рассмотрим сечение вертикальной плоскостью активатора с реальным слоем семян при наличии воздушной прослойки (рисунок 2.1). Пусть высота слоя семян вдоль электродов сильно изменяется. Проанализируем значение напряженности электрического поля в зоне с минимальной и максимальной толщиной слоя. Предположим, что на интервале х вдоль электродов высота слоя неизменна.

Электрическое поле в межэлектродном пространстве на интервале х плоскопараллельное, т.е. вектор напряженности электрического поля перпендикулярен плоскости электрода.

Рисунок 2.1 – Сечение вертикальной плоскостью активатора с реальным слоем Напряжение U между электродами равно сумме падении напряжений на воздушном промежутке толщиной (d d1 ) и на слое семян толщиной d1.

где U в - напряжение на воздушном промежутке, В; U сл - напряжение на слое семян, В Поскольку вектор напряженности электрического поля перпендикулярен поверхности электродов активатора и поверхности слоя семян, то значения напряженностей поля в воздушном промежутке и в слое семян обратно пропорциональны их диэлектрическим проницаемостям [58]:

где Е в и Есл - напряженности электрического поля на слое воздуха и слое семян соответственно, В/м; в и сл - диэлектрические проницаемости воздуха и слоя семян соответственно.

Выражение (2.1) и (2.2) можно представить в виде Решив систему уравнений (2.3), получим:

Из соотношений (2.4) и (2.5) следует, что напряженность электрического поля в слое воздуха больше, чем в слое семян, поскольку в сл. При изменении толщины слоя семян существенно изменяется напряженность поля внутри него.

Действительно, дифференцированием соотношения (2.5) получаем выражение для относительного изменения напряженности электрического поля в слое семян в зависимости от его толщины d1 :

из соотношения (2.6) получаем, что относительное изменение напряженности электрического поля в слое семян при изменении его толщины всего на 10 % от максимальной толщины заполнения, составляет 8,3 %. Если же d1 0,8d и d1 0,2 d1, то указанное изменение напряженности электрического поля составит уже 58,3 %, что очень велико. Следовательно, неоднородность заполнения по толщине слоя семян оказывает существенное влияние на величину действующей на семена величины напряженности электрического поля. Отсюда следует, что крайне важно обеспечить одинаковость толщины слоя семян во всем объеме активатора. Это требование делает задачу разработки определенной конструкции активатора весьма актуальной.

Необходимо отметить, что другая возможная форма активатора цилиндрическая. Тогда активатор может представлять собой два коаксиально расположенных цилиндра, пространство между которыми заполняется семенами достаточно плотно и однородно. Однако напряженность электрического поля внутри этого активатора, представляющего цилиндрический конденсатор, существенно изменяется вдоль его радиуса, согласно выражению:

где l – длина цилиндров активатора, м; r1 и r2 - соответственно радиусы наружного и внутреннего цилиндров, м; U - приложенное внешнее напряжение к электродам (цилиндрам), В.

Поэтому нами была предпочтительно выбрана форма активатора в виде конденсатора с плоскими взаимопараллельными прямоугольными электродами.

2.2. Электрические параметры семян сельскохозяйственных культур Наряду с конструктивной формой активатора существенное значение для обрабатываемых семян (в нашем случае лука), из которых в первую очередь необходимо выделить диэлектрическую проницаемость и электропроводность семян. Как указывалось ранее, внутри активатора даже при наиболее плотном заполнении его внутреннего объема мы имеем, по сути, смесь «семена-воздух».

Для малых степеней ( 0,1 ) заполнения включениями объема смеси известно проницаемости смеси см [112]:

где y1 и y 2 - объемные доли обоих компонентов, а 1 и 2 - соответственно их диэлектрические проницаемости.

При высоких степенях заполнения включениями объема смеси ( 0,5...0,7 ) экспериментально подтверждено предпочтение формулы Бруггемана [49]:

здесь - степень заполнения объема включениями (т.е. семенами);

остальные обозначения как в соотношении (2.8).

Причем соотношение (2.9) позволяет достаточно точно пересчитать экспериментально измеренную величину см в диэлектрическую проницаемость семян - 2, когда 1 1,0 (т.е. воздух).

электромеханическим методом диэлектрические проницаемости семян по работам некоторых авторов: Ниязова А.М., Шмигеля В.В. (таблица 2.1) [89, 159].

Таблица 2.1 – Относительные диэлектрические проницаемости, измеренные для ряда сельскохозяйственных культур В работе Хайновского В.И., Козырева А.Е. приводятся экспериментальные данные по диэлектрическим параметрам, измеренным методом диэлектрического конденсатора на достаточно низких частотах f 120 Гц и f 1000 Гц, которые отображаются в таблице 2.2 [139].

В таблице 2.2 использованы следующие обозначения: С см - электрическая емкость конденсатора смеси «семена-воздух» при максимально плотном заполнении; см и 2 - соответственно диэлектрические проницаемости смеси «семена-воздух» и семян; tg - тангенс диэлектрических потерь, измеренный для семян, заполняющих объем измерительного конденсатора; k - коэффициент удельной электропроводности слоя семян в измерительном конденсаторе (т.е.

«зажатого» между электродами плоского конденсатора).

сельскохозяйственных культур Как следует из таблиц 2.1 и 2.2, данные по диэлектрической проницаемости семян существенно зависят как от метода, так и от частоты, на которой выполняются измерения.

Поскольку товарные семена, хранимые на элеваторах, обладают по ГОСТу конечной влажностью ( 14% ), то имеет смысл обсудить их электропроводность в объеме активатора, определяемую объемной и поверхностной проводимостью семян. Объемная электропроводность семян, как и твердых диэлектриков, носит не электронный, а ионный характер. Это связано с тем, что ширина запрещенной зоны в диэлектриках (W ) существенно больше средней тепловой энергии фотонов решетки диэлектрика (т.е. W kT ), поэтому лишь ничтожное количество электронов может отрываться от своих атомов за счет теплового движения. Ионы же часто оказываются слабо связанными в узлах решетки, и энергия W, необходимая для их отрыва, сравнима с kT. Поэтому, несмотря на меньшую подвижность ионов по сравнению с подвижностью электронов, ионная проводимость оказывается больше электронной за счет большей концентрации свободных ионов:

где nион и nэл - ионная и электронная электропроводность соответственно, См; q - заряд иона, Кл; е - заряд электрона, Кл; ион и эл - подвижность ионов и электронов соответственно,.

Поэтому носителями заряда в диэлектриках обычно оказываются ионы малых размеров, с высокой подвижностью.

В общем случае в диэлектрике имеется несколько видов носителей заряда.

положительные ионы движутся к катоду, а отрицательные - к аноду. Указанный электролиз сильно проявляется лишь при приложении высоких постоянных напряжений и при повышенных температурах.

Слой семян может быть представлен электрической схемой замещения в виде последовательно соединенных сопротивлений утечки, зашунтированных параллельно включенной электрической емкостью каждого семени. Вследствие касания семян друг с другом, полная схема замещения для них внутри активатора есть последовательно-параллельное соединение сопротивлений и емкостей всех семян внутри активатора. В качестве простейшего примера на рисунке 2. поверхностной и объемной проводимостями.

Отметим, что поверхностная электропроводность диэлектриков создается поверхностных слоев, поэтому обычно диэлектрик характеризуется значением удельного поверхностного сопротивления:

где h - расстояние между параллельными друг другу кромками электродов, м; b - длина электродов, м.

объемного токов утечек через семена:

- - - - - объемные токи, поверхностные токи Весьма затруднительным оказывается определение поверхностного сопротивления и у тонких слоев твердых диэлектриков, так как практически невозможно отделить поверхностные токи утечки от объемных. В слое семян каждое семя имеет несколько точечных контактов и при больших напряженностях электрического поля значение поверхностного сопротивления может существенно уменьшаться, что подтверждается проявлением пробойных напряжений слоя семян.

Наряду с рассмотрением электрофизических свойств семян необходимо исследовать электрические процессы собственно в активаторе во время работы.

Для этого необходимо рассмотреть схемы замещения активатора.

2.3. Анализ и расчет электрических схем замещения активатора Конструктивно активатор представляет собой плоский конденсатор, содержащий внутри себя два соприкасающихся плоскопараллельных диэлектрических слоя. Один из слоев в активаторе - это смесь семян и воздуха, второй - изолятор (воздух). Границу слоя семян и воздуха принимаем за плоскость одного потенциала.

постоянного тока можно использовать схему с последовательно включенными (рисунок 2.3 а). Для переменного тока эквивалентная схема замещения включает соответствующих слоев (рисунок 2.3 б).

Рисунок 2.3 – Схема электрическая электроактиватора: а) для постоянного тока;

сопротивлением замещает слой семян, другой - воздушный промежуток между электродом и слоем семян. Для таких диэлектриков с потерями вводится комплексная диэлектрическая проницаемость а j р, учитывающая наличие конечной проводимости семян [18, 86].

Составляющие комплексной диэлектрической проницаемости и тангенса потерь определяются следующими выражениями [94]:

где r1, r2 – сопротивления слоя воздуха и слоя семян соответственно, Ом;

1, 2 – диэлектрические проницаемости слоев, Ф/м; – частота, Гц;

S – площадь электрода активатора, м.

Тангенс угла диэлектрических потерь определится В данных выражениях сопротивление воздушной прослойки r1 значительно больше сопротивления слоя семян r2, а емкость воздушной прослойки С меньше емкости слоя С2, что говорит о том, что подаваемое напряжение большей частью распределяется на воздушном промежутке и фактически не идет на обработку семян. Для того чтобы получить наибольшее равномерное влияние электрического поля (внешнего напряжения), исключим из рассмотрения слой воздуха. Соответствующая электрическая схема замещения представлена на рисунке 2.4. Для простоты расчетов рассмотрим сначала идеальный случай, когда индуктивностью L подводящего кабеля (т.е. rk 0, L=0). Эта схема замещения позволяет достаточно полно представить (рассчитать) все три стадии работы активатора: включение, установившийся режим, отключение.

Рассчитаем сначала режим зарядки электрической емкости активатора импульсом напряжения. Определим токи через электрическую емкость - ic, сопротивление - ia, суммарный ток источника - iист, а также напряжение U c на конденсаторе в зависимости от времени после подачи от источника ступеньки напряжения от источника.

т.е. пока для простоты длительностью фронта импульсов напряжения пренебрегаем (не учитываем).

Система уравнений, описывающая процесс зарядки конденсатора, имеет вид:

Эта система уравнений в конечном виде приводится к неоднородному линейному дифференциальному уравнению первого порядка:

где - постоянная времени включения генератора напряжения через его выходное сопротивление Rист.

Решение уравнения (2.21) имеет вид:

Подставим (2.22) в (2.20), получаем для токов соотношения:

Отметим, что геометрические размеры активатора определяются его заданной производительностью. Для производительности при обработке семян лука 1000 кг/ч его размеры следующие: площадь плоских параллельных электродов S=0,2х0,4 м2, толщина заполняемого семенами объема d=0,05 м, диэлектрическая проницаемость смеси семена лука – воздух см=8,46 (приложение 2). Исходя из этих параметров геометрическая емкость активатора, рассчитанная для случая заполнения его семенами лука равна:

По экспериментальным измерениям получили, что электрическая емкость активатора равна Сэкс148 пФ±1% (приложение 2), а шунтирующее ее сопротивление утечки при U=200 В равно Rут=120 МОм (§ 3.5, рисунок 3.9).

(ОАО «Электроавтоматика»), выходное сопротивление генератора в диапазоне частот повторения импульсов 100 1000 Гц можно взять равным Rист 100 Ом. Эту величину можно оценить также из паспортных данных генератора: при U max из соотношения (2.21) получаем: 1,5 10 8 с, т.е. она мала. В силу этого также мала величина времени нарастания напряжения на электрической емкости активатора, которая равна фр 2,2 Сэкс R ут 39нс (рисунок 2.5). По физическому смыслу это означает, что время, за которое на конденсаторе через сопротивление источника устанавливается высокий уровень напряжения, существенно меньше длительности импульса напряжения, поскольку tимп=5,0…50,0 мкс.

Подставляя параметры в (2.22) получаем соотношение:

по которому построен график, представленный на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 – Изменение во времени напряжения заряда емкости активатора:

Отметим, что для построения графиков напряжения и токов по соотношениям (2.22 - 2.24) нами также использована математическая программа численного моделирования MathCAD 14.0.

По соотношениям (2.23) и (2.24) рассчитаны и построены графики для активного i a и реактивного iс токов активатора (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 – Изменение во времени токов активатора а) активного - i a ;

Сумма токов i a и iс определяет ток источника, который максимален в начале импульса и уменьшается по мере заряда конденсатора. Установившееся значение тока составляет 8,33 10 6 А.

Рисунок 2.7 – График изменения тока через источник без учета индуктивности соединительного кабеля, которая может значительно влиять на значение тока источника iист. Схема замещения в этом случае представлена на рисунке 2.8.

L - индуктивность источника и соединительного кабеля Оценим величину индуктивности электрического кабеля, используя формулу индуктивности для двухпроводной линии [58]:

где a - диаметр проводов, мм; d - расстояние между их центрами, мм; l длина проводов, м.

L 2,63мкГн 3мкГн для соединительного кабеля от генератора к активатору.

Для расчета токов и напряжений в схеме рисунка 2.8 запишем соответствующую систему уравнений.

дифференциальное уравнение второго порядка для изменения напряжения на емкости С:

0 - частота собственных колебаний, Гц. Подставляя Rист=100 Ом, L=3 мкГн, R=120 МОм, С=148 пФ, получаем, что 1,67 10 7, 0 4,75 10 7 Гц, процессом разряда электрической емкости активатора через шунтирующее сопротивление утечки можно пренебречь при оценке времен зарядки и разрядки емкости активатора ( фр и среза ). Например, фр 2,2 / 132 нс.

По физическому смыслу уравнение (2.27) описывает процесс затухающих колебаний в колебательном контуре.

Решение уравнения (2.27) получаем классическим методом, и оно имеет вид:

Подставив численные величины, получаем:

График этой зависимости изображен на рисунке 2.9.

График 2.9 – Временная зависимость установления напряжения на электрической емкости активатора при наличии индуктивности. Параметры: L=3мкГн, Изменение тока источника в процессе зарядки электрической емкости активатора выражается соотношением:

Подставив численные значения величин, получаем:

По соотношениям (2.29) и (2.31) в программе MathCAD 14.0 просчитаны и построены графики для изменений напряжения U c (рисунок 2.9) и тока iист (рисунок 2.10).

Рисунок 2.10 – График изменения тока источника во времени при наличии Из сравнения графиков для напряжений и токов (рисунки 2.5-2.7, 2.9-2.10) можно сделать вывод, что учет индуктивности подводящего напряжение кабеля приводит к существенному увеличению времени зарядки электрической емкости активатора до величины 150 нс.

Необходимо отметить, что процессы разряда электрической емкости конденсатора активатора при включении импульса напряжения совершенно похожи на процессы зарядки емкости активатора и описываются практически теми же дифференциальными уравнениями, только с другими начальными условиями для напряжения источника Здесь также рассматриваем идеальный случай, т.е. длительностью среза импульса напряжения пренебрегаем (не учитываем).

Из уравнений (2.28) и (2.30) с учетом начальных условий (2.32) получаем соотношения для напряжения на емкости и тока через нее во время процесса разрядки:

Согласно (2.34), направление тока разрядки, как и должно быть, противоположно направлению тока зарядки.

С учетом численных значений величин соотношения (2.33) и (2.34) приобретают вид:

На рисунке 2.11 изображен график зависимости (2.33), из которого следует, активатора равна среза 164 нс и приблизительно соответствует постоянной времени зарядки его емкости - фр 150 нс.

Рисунок 2.11 – Временная зависимость напряжения на емкости активатора при выключении импульса напряжения. Параметры: Uист=0, L=3мкГн, длительность Необходимо отметить, что схемотехнические компоненты выходной цепи индуктивности, превосходящие значительно индуктивность соединительного (ОАО «Электроавтоматика») индуктивность выходного каскада генератора импульсов напряжений может составлять величины 250-350 мкГн. Поэтому для времен фронта и среза импульсов напряжений получаем оценку:

Рассмотренные динамические процессы в активаторе позволяют оценить его энергетические характеристики: пиковую мощность потребления, среднюю потребляемую мощность.

Энергию электрического поля, приобретаемую электрической емкостью активатора в течение времени ее зарядки 150 нс, оценим по формуле:

где учли, что С=148 пФ и Umax=1000 В.

Пиковую мощность активатора определим по соотношению:

а) режим максимального напряжения: Umax=1000 B, f=1000 Гц, имп 50 мкс, напряжений, тогда среднюю (действующую) мощность активатора оценим по выражению:

б) режим рациональных параметров обработки: Umax=200 B, f=600 Гц, имп 35 мкс, фр 6,6 мкс. Получаем величины: Pпик 0,46 Вт, Pср 0,0083 Вт.

Для сравнения приведем подобные оценки мощностей активаторов других известных установок по обработке семян импульсным электрическим полем.

Таблица 2.3 – Основные электрические параметры активаторов в рациональных режимах работы для нескольких известных установок по предпосевной обработке семян сельскохозяйственных культур импульсным электрическим полем.

* параметры для рационального режима обработки семян лука.

** конструкции, предложенные сотрудниками СтГАУ в 2010 г. [142] Отметим, что рациональные режимы обработки семян импульсным электрическим полем определяются на разных установках экспериментально и соответствуют наибольшему возрастанию посевных качеств семян (энергии прорастания и всхожести).

Таблица 2.4 – Потребляемые мощности активаторов, рассчитанные по параметрам таблицы 2. * параметры для рационального режима обработки семян лука.

** конструкции, предложенные сотрудниками СтГАУ в 2010 г. [142] Из данных таблиц 2.3 и 2.4 следует, что за счет уменьшения амплитуды импульсного напряжения до 200 В в рациональном режиме обработки семян предлагаемая установка «УПОС-1» при достаточно высокой производительности (Q=1000 кг/с) и однородности предпосевной обработки семян импульсным электрическим полем имеет энергетические преимущества в сравнении с аналогами. Поэтому для ее питания не требуется высоковольтный источник электроэнергии, что наряду с небольшими габаритами и массой делает ее предпочтительной для применения в полевых условиях.

2.4. Обоснование технологического процесса перемещения слоя семян и Для перемещения грузов применяются следующие транспортерные устройства:

При анализе этих устройств и процесса перемещения семян в них выявлен ряд недостатков:

неравномерность толщины слоя семян;

По нашему мнению, наиболее оптимальным является использование гравитационных транспортерных устройств, которые применяются для перемещения груза сверху вниз под действием силы тяжести [91].

Применение активаторов в виде спускных желобов для процесса перемещения семян предпочтительнее по следующим причинам:

отсутствие приводного механизма и, как следствие, отсутствие затрат энергии;

простота конструкции и обслуживания.

В качестве недостатков следует отметить незначительную деформацию семян, забивание желобов при повышении их влажности.

В целях уменьшения деформации и измельчения обрабатываемых семян скорость его движения по активатору ограничивают. Процесс обработки семян в активаторе можно представить в виде схемы (рисунок 2.12) Рисунок 2.12 – Схема обработки семян в активаторе Активатор имеет прямоугольную форму размерами 1200х750 мм. Верхняя и нижняя стенки активатора изготовлены из проводящего материала (рисунок 2. (3) и по сути являются обкладками конденсатора. Боковая стенка активатора изготавливается из прозрачного диэлектрического материала (рисунок 2.13 (1) для возможности контроля степени загрузки. Толщина объема активатора регулируется с помощью подвижных рычагов (рисунок 2.13 (2) и может изменяться от 10 до 50 мм. Это позволяет использовать установку для обработки семян различных культур. С помощью изменения скорости вращения барабана (рисунок 2.13 (4) происходит выгрузка семенного материала в отгрузочный бункер, оснащенный колесами.

Рисунок 2.13 – Узел обработки семян в зоне активатора Скорость движения семян в объеме активатора регулируется углом его наклона, быстротой вращения выгружающего семена барабана. При этом обеспечивается перемещение семян вниз «самотеком» с максимальной плотностью заполнения объема внутри активатора (т.е. без пустот).

вибраторов позволяет исключить образование пробок при транспортировании.

Скорость движения семян в активаторе зависит от угла наклона и начальной скорости 0 и может быть оценена по соотношению:

где H – разность верхнего и нижнего уровней; H l sin, м; l – длина активатора, м; f c – коэффициент сопротивления активатора; – угол наклона, необходимый для достижения конечной скорости.

При умеренной скорости перемещения семян внутри объема активатора, т.е.

сопротивления активатора f c можно оценить по выражению:

где f – коэффициент трения движения семян об активатор, 0,3 0,5 ; h – высота слоя семян в активаторе, м; b – ширина активатора, м.

Предположим также, что при движении семян «самотеком» их начальная скорость равна нулю ( 0 0 ). Экспериментально установлено, что оптимальное время обработки семян в зоне активатора составляет 6…8 с, а реальная скорость движения семенного слоя внутри активатора экспериментально подобрана из соображений устранения травмирования и разрушения семян. Она существенно меньше величин скоростей, получаемых по соотношению (2.38), и составляет 515 см/с. Это обстоятельство определяется тем, что движение семян в желобе активатора является ускоренным. Поэтому величина конечной скорости по соотношению (2.38) может оказаться больше предельного допустимого значения, что повлечет их дробление и измельчение. Чтобы замедлить движение семян, в конструкции активатора предусматривается установка концевого участка с углом наклона, меньшим, чем угол наклона его основного участка.

В предлагаемом активаторе для устранения указанного отрицательного эффекта на его выходе установлен барабан с регулируемой скоростью вращения, что позволяет регулировать скорость движения семян в обрабатываемой зоне и существенно ее уменьшить.

Оценим угол наклона активатора, используя соотношение (2.39) для угла естественного откоса (наклона). Получаем:

Здесь обозначили A=2/2gH и учли, что при =1,0…0,5 см/с, l =1,2 м, Тогда из (2.40) получаем, что для обеспечения движения семян в активаторе угол его наклона должен удовлетворять условию:

При указанных выше параметрах из (2.41) получаем, что 210.

В результате проведенного теоретического анализа и расчетов показано, что локальная неоднородность толщины воздушной прослойки над семенами в активаторе может приводить к существенному локальному изменению напряженности электрического поля в слое обрабатываемых семян.

Проведен анализ и расчет электрических схем замещения активатора с целью исследования переходных процессов зарядки (разрядки) его электрической емкости в рациональном режиме работы со следующими параметрами: малая величина амплитуды импульсов напряжения, равная 200 В; длительность импульсов напряжения 35 мкс; частота повторения импульсов - 600 Гц. При этом установлено, что постоянная времени зарядки электрической емкости активатора составляет 150 нс.

Для обеспечения однородности обработки семян электрическим полем и достаточно высокой производительностью активатора проведен анализ физических параметров и электрических характеристик слоя семян, а также обоснование технологического процесса перемещения слоя семян в активаторе и соответствующих ему особенностей конструкции активатора. Показано, что угол наклона плоского корпуса активатора к горизонтальной поверхности составляет 210, а коэффициент сопротивления активатора f c 0,39.

Для исключения разрушения (дробления) семян в процессе их перемещения и обеспечения плотного заполнения семенами объема скорость выхода семян из активатора контролируется выходным (тормозящим) валиком с регулируемой скоростью углового вращения.

3. ПРОГРАММА, МЕТОДИКА И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для определения влияния импульсного электрического поля на посевные качества семян лука нами использовалась установка, изготовленная на ЗАО «НПО ФИД – Техника», г. Санкт – Петербург (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 – Установка предпосевной обработки семян импульсным электрическим полем: 1 – генератор высоковольтного импульсного напряжения;

Диапазон изменения высоковольтного импульсного напряжения генератора 1 (315)·103 В, частота следования импульсов от 21 Гц до 300 Гц, длительность импульсов –, длительности их фронта и среза – фр, среза, составили: =5,4·10-9 с;

фр=2,0·10-9 с; среза=2,9·10-9 с. В качестве электрической нагрузки генератора применен плоский волновод с высокоомной нагрузкой на его конце 2 (рисунок 3.1), имеющий следующие геометрические размеры: длина – 0,63 м, ширина – 0,115 м, толщина воздушного зазора – 0,03 м. При указанных размерах волновод с высокоомной нагрузкой на его конце приближенно представляет собой плоский электрический конденсатор с воздушным диэлектриком. Напряженности электрического поля отдельных гармоник в нем в рабочем диапазоне частот составляют: (0,2–2,4) В/м, т.е. достаточно малы. Обрабатываемые семена сельскохозяйственных культур помещаются между обкладками «волновода – конденсатора» [47, 110].

Для сокращения времени обработки семян сельскохозяйственных культур разработана установка «СПЕКТР-1» с длительностью следования импульсов от до 50 мкс, частотой следования импульсов до 1000 Гц, состоящая из линии обработки семян и аппаратуры электропитания. Общий вид установки представлен на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Общий вид установки для предпосевной обработки семян импульсным электрическим полем «СПЕКТР-1»

Линия обработки семян (рисунок 3.2) состоит из рамы 1, на которой находится воронка 2 для засыпания семян в один слой; транспортера 3, выполненного из токопроводящего материала, приводимого в движение с помощью редуктора, соединенного с электродвигателем, находящимся под одним потенциалом; плоского электрода 4, расположенного над транспортером, с регулируемым зазором 10…30 мм, являющимся другим потенциалом установки 5; чистиков 6, с помощью которых транспортер очищается от пыли и других мелкодисперсных фракций, находящихся в посевном материале.

Для изучения электрических характеристик семенного слоя в качестве измерительного датчика емкости была использована конструкция в виде плоского конденсатора с регулируемым зазором. Для исследования использованы кондиционные семена с нормативной влажностью. Для визуального контроля заполнения датчика семенами боковые стенки выполнены прозрачными. Размеры датчика 0,2х0,4 м, зазор - до 0,05 м (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 – Рабочий макет установки «УПОС-1»

Измерение активного сопротивления проводились мегаомметром ЭС0202/1Ги ЭС0202/2-Г на напряжениях 100-2500 В с целью оценки фактических величин, соответствующих рабочим напряженностям при обработке. В процессе исследования контролировалась температура среды и материала.

Оценка удельного сопротивления выполнялась измерением активного сопротивления с последующим расчетом проводимости.

Для исследования и оценки величины пробивного напряжения слоя семян использовался потенциальный электрод диаметром 0,07 м с закругленными краями. При испытаниях использовались установки для проверки изоляции на пробой переменным напряжением промышленной частоты 50 Гц. Фиксировалось действующее напряжение пробоя.

Все измерения выполнены поверенными приборами.



Pages:   || 2 | 3 |









 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.