Параметры электроозонирования для предпосевной обработки семян кукурузы – Озонатор Ижозон

Параметры электроозонирования для предпосевной обработки семян кукурузы

В мировом земледелии кукуруза – это одна из основных зернофуражных культур. Она составляет от 40 до 60% кормосмесей для животноводческого поголовья. Широкая генетическая изменчивость и способность к адаптации в разнообразных климатических условиях, более высокая урожайность по сравнению с другими зерновыми культурами, а также концентрация в кукурузном зерне компонентов, необходимых для живого организма, способствовали проникновению этой культуры почти во все географические районы мира. Урожайность этой культуры непосредственно зависит от качества посевного материала и его подготовки к севу. Это подтверждается тем фактом, что, например, урожайносгь кукурузы в целом по Краснодарскому краю за последние 5 лет колеблется от 20 до 160 ц/га. В целом по краю посевные площади под кукурузу занимают 80 тыс. га, и из-за нестабильной урожайности сельхозпроизводители недополучают примерно 640 тыс. т зерна в початках. Таким образом, разработка и исследование способов предпосевной обработки, повышающих посевные качества семян кукурузы, является важной народнохозяйственной задачей.
Повышение посевных качеств семян с помощью обработки озоном изучается с 60-х годов, но полученные данные противоречивы, что говорит о недостаточной изученности вопроса. Проанализированные источники литературы говорят о том, что нашей промышленностью выпускаются в основном генераторы озона большой производительности и габаритных размеров, отличающиеся сложностью конструкции и высокой стоимостью. В то же время для предпосевной обработки семян необходим недорогой, простой в изготовлении и обслуживании генератор озона. Он не должен требовать воздухоподготовки, кроме этого, необходима достаточно высокая производительность. Разработка таких генераторов пока ведется низкими темпами, что сдерживает их создание и практическое использование в технологических циклах сельского хозяйства.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой ФГОУ ВПО КубГЛУ «Разработка и исследование энергосберегающих технологий, оборудования и источников электропитания для АПК» на 2001-2005 гг. (ГР № 01200113477, раздел 4.1).
Цель работы – повышение посевных качеств семян кукурузы с помощью эффективных режимов обработки электроозонатором.
Объектом исследования является источник питания, электроозонатор с его параметрами, технологический процесс предпосевной обработки семян кукурузы озоном.
Предмет исследования зависимости, характеризующие воздействие озона на энергию прорастания, всхожесть, силу роста семян кукурузы; характеристики озонатора; характеристики источника питания.
Методы исследований. В работе использованы основы теорий электротехники, термодинамики, техники высоких напряжений, методика полевого эксперимента, планирования эксперимента, методы теории вероятностей и математической статистики, программное обеспечение STATISTICA 6.0, Microsoft Office, MathCAD Professional.
Научную новизну работы составляют:
1. Зависимости влияния концентрации озона в озоновоздушной смеси, экспозиции и времени отлежки после обработки на энергию прорастания, всхожесть и силу роста семян кукурузы.
2. Математическая модель расчета резонансной частоты тока в зависимости от геометрических размеров озоногенерирующего блока.
3. Режимы обработки при электроозонировании для увеличения энергии прорастания, всхожести и силы роста семян кукурузы.
Новизна способов и технических решений подтверждена тремя патентами РФ.
Практическую значимость работы представляют:
– результаты математического моделирования, позволяющие обосновать выбор частоты питающего тока генератора озона с целью повышения его коэффициента полезного действия;
– результаты математического моделирования и экспериментальных исследований, позволяющих определить концентрацию озона, время обработки и отлежки после обработки семян кукурузы, максимально повышающие энергию прорастания, всхожесть и силу роста проростков семян кукурузы.
На защиту выносятся следующие основные положения работы:
– математическая модель для расчета частоты тока электрического резонанса генератора озона при изменении геометрических размеров озоногенерирующего блока;
– зависимости влияния озоновоздушной смеси на энергию прорастания, всхожесть и силу роста семян кукурузы;
– математическая модель определения режимов предпосевной обработки семян кукурузы.
Реализация результатов исследования. Данные, представленные в работе, подтверждены лабораторными исследованиями, сертификатом соответствия аккредитованной учебно-научной испытательной лаборатории (г. Ставрополь) и актами внедрения в технологический процесс предпосевной обработки семян в КНИИСХ им. П.П. Лукьяненко и СПК «Колхоз-племзавод «Родина»» Краснодарского края.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на ежегодных научных конференциях КубГАУ: «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (2002, 2003 и 2004); на межвузовской научной конференции факультетов механизации, энергетики и элекгрификации «’Знергосбере!ающие технологии и процессы в АПК» (КубГАУ, 2003); на научной конференции «Научное обеспечение агропромышленною комплекса» (Зерноград, АЧГАА, 2004, 2005); на международной научно-прак1Ической конференции «Основы достижения устойчивого развития сельского хозяйства» (Волгоград, ВГСХА, 2004); на Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе» (Ставрополь, СГАУ, 2003, 2005). Результаты работы были представлены в Москве на Всероссийской выставке НТТМ (2005).
Основные положения опубликованы в 12 научных работах, защищены двумя патентами РФ на конструкцию генерирующего блока и одним патентом РФ на способ предпосевной обработки семян.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка используемых источников, включающего 133 наименования (в том числе 10 иностранных источников), и 3 приложений. Общий объем диссертации 137 страницы, из них 122 основного текста, 34 рисунка, 6 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении раскрывается актуальность темы, сформулированы цель работы и ее научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения об использовании и внедрении результатов исследований.
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» дан краткий анализ народнохозяйственного значения выращивания кукурузы, также определены роль и сроки предпосевной обработки семян кукурузы.
Проведен анализ доступных литературных источников в области предпосевной обработки семян сельскохозяйственных растений физическими способами. Вопросы стимуляции семян перед севом освещены в работах В.И. Анискина; A.M. Басова; Г.В. Билетковой; Н.П. Будько; В.И. Клюка; Н.В. Ксенза; В.Н. Полунина; С.Д. Кутис; Т.Л. Кутис и других ученых.
В работе проанализированы физические, физико-химические и химические способы предпосевной обработки семян. Установленно, что рассмотренные способы в разной степени влияют на развитие семени после обработки, однако они имеют и различные недостатки (рисунок I). Он показывает, что озонирование является наиболее приемлемым методом предпосевной обработкой семян кукурузы.
Произведен анализ доступных литературных источников авторов, работающих в области создания электроозонаторов, среди которых работы Ю.В. Филиппова, И.Ф. Бородина, Ю.М. Емельянова, Н.В. Ксенза, И.П. Кривопишина, М.В. Соколовой, В.Н. Вигдоровича. Ю.А. Исправникова, Э.А. Нижаде-Гавиани, В.К. Андрейчука и других ученых.
Произведен анализ доступных литературных источников авторов, работающих в области создания электроозонаторов, среди которых работы Ю.В. Филиппова, И.Ф. Бородина, Ю.М. Емельянова, Н.В. Ксенза, И.П. Кривопишина, М.В. Соколовой, В.Н. Вигдоровича. Ю.А. Исправникова, Э.А. Нижаде-Гавиани, В.К. Андрейчука и других ученых. параметры электроозонирования Рисунок 1 – Анализ вариантов предпосевной обработки
Необходимо обратить внимание на то, что внешняя энергия, затрачиваемая на производство озона, уходит на диссоциацию кислорода. Однако при диссоциации нужно вложить энергии больше, чем энергии теплоты образования озона: 5,16 эВ (по другим данным – 5,12 эВ) против 2,96 эВ на 2 молекулы От. Разность 2,2 эВ теряется при тройном столкновении. При подсчете эффективности озонаторных установок обычно полагают даже, что минимально возможные затраты энергии составляют 1,44 кВтч/кг. Таким образом, для обработки озоном семенного материала кукурузы, необходимого для высева на 80 тыс. га (посевная площадь под кукурузу в Краснодарском крае), нужно затратить 40 тыс. кВт ч электрической энергии, что экономически нецелесообразно.
Увеличение эффективности установки для производства озона остается открытой проблемой, решение которой может идти по двум направлениям:
1) усовершенствование электрических источников, с целью увеличения коэффициента полезного действия озонаторов;
2) выбор механизма преобразования кислорода в озон, при котором наибольшая часть активной энергии пойдет на это преобразование.
Наиболее целесообразным представляется использование для предпосевной обработки семян с.-х. растений озонаторов пластинчатого типа с генерацией озона в барьерном разряде, работающих в режиме резонанса ГОКОВ или напряжений. Применение таких озонаторов позволит сократить затраты электрической энергии при озонировании семян кукурузы с целью повышения их посевных качеств.
В соответствии с этим сформулирована цель работы и задачи исследования:
1. Усыновить взаимосвяи, параметров оюиовоздушной смеси и изменения посевных качеств семян кукурузы.
2. Определить режимы обработки семян озоновоздушной смесью для повышения энергии прорастания, всхожести и силы роста семян кукурузы.
3. Разработать математическую модель зависимости частоты электрического резонанса от геометрических параметров озонирующего блока.
4. Разработать установку для предпосевной обработки семян кукурузы.
5. Экспериментально подтвердить теоретически полученные расчеты.
6. Произвести технико-экономическое обоснование применения электроозонирования для стимуляции семян кукурузы перед севом.
Во в горой главе «Теоретические положения по электроозонироваиию зерна кукурузы и влиянию электрического резонанса на работу генератора озона» рассмотрены теоретические аспекты исследования по выявлению влияния озона на энергетические процессы, происходящие внутри семени кукурузы, определены частоты электрического тока для питания электроозонатора, при которых генерирующий блок войдет в режим резонанса.
Условная энергетическая модель семени представляет собой взаимосвязь внутренней энергии семян и энергии процессов, происходящих в семени при онтогенезе.
Для рассмотрения влияния озона на процессы, происходящие внутри семени, предлагается ввести в данную структурную схему (рисунок 2) энергию воздействия озоновоздущной смеси. параметры электроозонирования Рисунок 2 – Схема энергий семени и взаимосвязи между ними при воздействии озона
где Ws – энергия, переходящая в запас питательных веществ (углеводы), ккал/кг; WR – энергия роста растений, МДж/ц; WA – энергия, направленная на накопление продуктов ассимиляции, МДж/ц: Wj – энергия расходуемая на формирование сухого вещества, МДж/ц; WQ – энергия, связанная с дыханием и обменом веществ, МДж/ц; Wo3 – энергия поступающая в семена за счет воздействия озона, МДж/ц.
Механизм приращения энергопродуктивности семени за счет 1Юглощения растениями озоновоздушной смеси в настоящее время до конца не изучен. Однако имеются научные гипотезы, одной из которых придерживается автор.
Из теоретических исследований известно, что семена растений обладают резервом энергии, которая аккумулируется в их питательных тканях, и от ее количества зависит энергосодержание урожая. На ранних этапах энергия является питательным субстратом для семян. У зерна кукурузы накопителем резервной знергии является эндосперм. Энергия для роста проростков освобождается при гидролизе углеводных запасов. Поместив семена в озоновоздушную среду, мы создаем благоприятные условия для высвобождения резервной энергии, т. е. для гидролиза углеводного субстрата. Одновременно происходит поглощение дополнительной энергии озона.
Согласно рисунку 2, озон воздействует на энергетический запас Ws, который аккумулируется в питагельных тканях семян. После появления проростков, до полного развития растения, его рост и развитие обусловлены потоком энергии из семени. Энергия роста WR расходуется на формирование и накопление сухого вещества растения Wj, а также на транспорт продуктов, образованных в результате фотосинтеза растений WA- Энергия активного блока W A распределяется следующим образом; часть ее идет на запас энергии (аккумулируется в углеводы), часть утилизируется Wo. В процессе формирования сухого вещества растений часть энергии теряется на процессы, связанные с дыханием. Из динамической модели приращения энергпродуктивности следует, что энергетический потенциал растения формируется в процессе предпосевной обработки семян озоном.
Всхожесть семян – один из важнейших показателей продуктивности семян и их качества. По их всхожести можно прогнозировать будущую урожайность. Поэтому определение влияния озоновоздушной смеси на всхожесть семенного материала, является важной задачей.
Для снижения потерь электрической энергии при производстве овдновоздушной смеси предлагается использовать частоты питающего тока, при которых пластинчатый генерирующий блок, состоящий из стеклоблоков, войдет в режим электрического резонанса.
Для исследования явлений резонанса в озонаторе воспользуемся электрической эквивалентной схемой замещения устройства (рисунок 3): параметры электроозонирования Рисунок 3 Эквивалентная схема замещения генератора озона параметры электроозонирования Рисунок 4 – Изменение частоты резонанса от площади диэлектрических барьеров и воздушного промежутка.
Анализируя поверхность, можно сказать, что при увеличении площади пластин и постоянном воздушном зазоре 3 мм снижается частота, на которой разрядный промежуток войдет в режим резонанса. Так, при площади 2 см^ резонансная частота составляет 1,95 кГц, а при площади пластин 10 см^ она снижается до значения 0,84 кГц. Также можно сказать, что чем меньше воздушный промежуток, тем меньше частота, при которой генератор озона войдет в режим резонанса, но при этом увеличится вероятность пробоя диэлектрика, поэтому рекомендуется ширину воздушного промежутка делать не менее 2,5 мм.
В главе три «Экспериментальное исследование влияния электроозонирования на семена кукурузы» представлены методики исследования и результаты экспериментов по выявлению влияния озоновоздушнои смеси на энергию прорастания, всхожесть и силу роста семян кукурузы.
Для определения области, в которой влияние озоновоздушной смеси на семена кукурузы наиболее эффективно, был проведен поисковый эксперимент. По результатам поискового эксперимента можно сказать, что положительный эффект плияния озоновоздушной смеси на семена кукурузы наблюдается при различных концентрациях при экспозиции от 3 до 9 мим. Поэтому было принято решение провести полнофакторный эксперимент по выявлению увеличения энергии прорастания, всхожести и силы роста семян кукурузы при воздействии на них озоновоздушной смеси. Полнофакториый эксперимент проводился в оптимальной области по следующей схеме четыре уровня концентрации при четырех уровнях времени, после чего семена высаживались через четыре одинаковых промежутка времени.
По итогам полиофакторного эксперимента была построена гистограмма, представленная на рисунке 5.
Увеличение энергии прорастания проростков наблюдается при всех режимах обработки. Но наиболее приемлемым для обработки семян кукурузы является режим, при котором время обработки (Xi) составляет 7 мин, а время отлежки (Хз) ~ 20 дней. При таком уровне обработки повьпление энергии прорастания по сравнению с контролем составляет более 10%, что говорит о повышении посевных качеств семян. параметры электроозонирования Рисунок 5 – Влияние озона на семена кукурузы при различных режимах обработки
Как показывает гистограмма, время отлежки – тоже не маловажный фактор. Так, при отлежке в течение одного дня и времени обработки 7 мин при концентрации 24 мг/м’ энергия прорастания увеличилась примерно на 2%, через 10 дней она составляла 4,5%, еще через 10 дней ее уровень поднялся до 10,5%, а по прошествии еще 10 дней начал снижаться и составил 9%. Исходя из этого, можно сказать, что озон полностью усваивается семенем и активизирует процессы внутри его за 20 дней.
Был проведен эксперимент по выявлению влияния концентрации озона, времени обработки и времени отлежки после обработки на всхожесть семян кукурузы. На основании данных полученных в процессе проведенного эксперимента построены поверхности, отображающие влияние озоновоздушной смеси на исследуемый объект. Так, на рисунке 6 представлена плоскость изменения всхожести в зависимости от концентрации озона и отлежки после обработки, семян кукурузы сорта Т22МВ.
Поверхность, представленная на рисунке 6, аппроксимирована профаммой, поэтому на ней присутствуют отрицательные значения концентрации озона и отлежки.
Рассмотрев поверхность, можно сказать, что наиболее приемлемыми режимами для повышения всхожести семян кукурузы являются режимы, при которых концентрация озона составляет от 20 до 40 мг/м3 и время отлежки после обработки составляет 15-25 дней. При таких данных всхожесть исследуемого зерна составляет 80%, при этом первоначальная всхожесть зерна составляла около 65%.
Также надо отметить, что при увеличении переменной Xj (концентрации озона) до 50 мг/м3, всхожесть начинает уменьшаться. Ростки семян при концентрации озона выше 75 мг/м3 при времени обработки более 5 мин имеют черные (обожженные) концы проростков. Это говорит о том, что окислительные свойства озона при больших концентрациях начинают разрушать строение клеток и частично их уничтожают. Следовательно, при дальнейшем увеличении концентрации зерно получит смертельную дозу озона и погибнет из-за разрушения клеток. параметры электроозонирования Рисунок 6 – Увеличение всхожести семян кукурузы под влиянием концентрации озона и отлежки после обработки
Полученные данные свидетельствуют от достаточной взаимосвязи (г = 0,94) между всхожестью и изучаемыми факторами, при этом в 88% случаев факторы, включенные в уравнение, влияют на всхожесть, а в 12% она контролируется другими факторами, которые не учтены при построении математической модели.
Проведен эксперимент по выявлению влияния озоновоздушной смеси на силу роста проростков семян кукурузы, который показал, что обработанные семена обладают более высокой силой роста (зрительно они имеют более насыщенный цвет). Корневая система обработанных семян мощная, имеет один длинный сильный корень (порядка 10 см) с небольшими отростками в отличии от корневой системы необработанных семян, которая имеет длину около 5 см. Так как корневая система обработанных семян имеет более длинный корень, то растение будет более засухоустойчиво, что немаловажно в климатических условиях Краснодарского края. Внешний вид проращенных семян представлен на рисунке 7. параметры электроозонирования Установлена взаимосвязь между используемыми переменнымифакторами и силой роста проростков – R = 0,91. Кроме того, в 84% случаев изучаемые факторы оказывают влияние на силу роста проростков, а в 16% она контролируется другими факторами, не учтенными при проведении эксперимента.
В главе четыре «Разработка математической модели для расчета резонансной частоты, схемы питания электроозонятора и техникоэкономической эффективности использования озона для предпосевной обработки семян кукурузы» представлен алгоритм решения разработанной математической модели расчета резонансной частоты для генератора озона, разработана принципиальная электрическая схема генератора частот, использующаяся в озонаторе, и рассчитан чистый дисконтированный доход за пять лет для разработанной установки.
Полученная формула резонансной частоты для разрядного промежутка, позволяет рассчитать частоту, при которой ток, проходящий через разрядный промежуток, достигнет максимального значения, не вызывая изменений в питающей сети. Для получения конкретного значения частоты, на которой генератор озона войдет в резонанс, нам необходимо знать лишь напряжение на выходе трансформатора (указывается в паспорте трансформатора) и конструктивные параметры озонирующего блока.
При использовании компьютерную программу «MathCAD 2001» была составлена математическая модель для расчета резонансной частоты. По результатам расчетов математической модели были построены фафики, представленные ниже (рисунки 8 и 9). параметры электроозонирования Рисунок 8 – Зависимость тока разрядного промежутка от изменения питающей частоты
Из фафика видно, что при частоте питающего сигнала 0,86 кГц ток на разрядном промежутке возрастает до 10 мкА, это при том, что при стандартной частоте 50 Гц он составляет 0,5 мкА.
Напряжение на разрядном устройстве также изменяется в зависимости от частоты, эта зависимость представлена на рисунке 9.
Анализируя фафик, можно сказать, что на частотах до 300 Гц напряжение практически не изменяется и составляет номинальное напряжение трансформатора на высокой стороне 10 000 В. При дальнейшем увеличении частоты напряжение постепенно нарастает и при частоте 680 Гц достигает максимального значения 11 000 В. В последствии увеличение частоты приводит к снижению напряжения. Так при минимальном значении напряжения 500 В значение частоты составляет 940 Гц. Последующее увеличение частоты приводит к постепенному увеличению напряжения до 7000 В и дальнейшей его стабилизации. параметры электроозонирования Рисунок 9 – Изменение напряжения на озонирующем блоке в зависимости от изменения частоты
Для удобства подбора частот при использовании генераторов озона с различными геометрическими параметрами разработан блок питания генерирующего блока, принципиальная электрическая схема которого представлена на рисунке 10. параметры электроозонирования Рисунок 10 – Принципиальная электрическая схема источника питания электроозонатора
Основным результатом проведенного технико-экономического обоснования является получаемый в хозяйстве годовой эффект в виде чистого дисконтированного дохода (ЧДД). Экономическая эффективность от применения предлагаемой предпосевной обработки выраженная через чистый дисконтированный доход, составляет 7661 тыс. руб., срок окупаемости 1 год. Данные свидетельствуют о экономической эффективности капиталовложений в оборудование предназначенное для предпосевной обработки семян озоновоздушной смесью.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
Результаты исследований, содержащиеся в диссертационной работе, имеют существенное значение для сельского хозяйства. Научная исследовательская работа позволила сделать следующие выводы:
1. Разработанная энергетическая модель семени позволяет установить зависимость степени развития семян кукурузы от их внутренней энергии, что дает возможность теоретически обосновать улучшение посевных качеств семян.
2. Разработанная математическая модель генерирующего блока позволяет определить, функциональную зависимость конструктивных параметров озонатора и частоту резонанса тока озонирующего блока. Установлены следдующие параметры при горящем разряде- при п/10щади пласгин 0.1 м2 частота резонанса имеет шачение 0,84 кГц при уменьшении площади до 0,06 м2 резонансная частота возрастает до 1,13 кГц. До момента зажигания разряда значения резонансных частот при площади 0,1 м2 составляез 0.92 кГц, при уменьщении площади до 0.06 м2 частота резонанса возрастает до 1,25 кГц.
3. Предложено техническое решение блока управления озонатора с возможностью регулирования частоты питающего сигнала и сконструирован генератор озона, соответствующий предъявленным требованиям – низкая стоимость, мобильность, простота эксплуатации.
4. На основании экспериментального исследования режимных параметров электроозонирования семян кукурузы получена математическая модель, определяющая зависимость энергии прорастания, всхожести и силы роста от концентрации озона, экспозиции и времени отлежки после обработки. Данная модель позволила установить увеличение энергии прорастания на 10 % при концентрации 24 мг/м3, экспозиции 7 мин. и времени отлежки 20 дней; увеличение всхожести на 15 % при концентрации 42 мг/м3, экспозиции 5 мин. и отлежке 20 дней и увеличение силы роста проростков на 20 % при концентрации 46 мг/м3, экспозиции 7 мин. и отлежке после обработки 20 дней.
5. Проведенный статистический анализ экспериментальных данных, который показал, что исследуемые параметры (концентрация, время обработки, отлежка) в 92 % случаев влияют на увеличение энергии прорастания, в 88 % случаев влияют на увеличение всхожести и в 84 % случаев влияют на увеличение силы роста проростков семян кукурузы.
6. Экономическая эффективность при использовании электроозонирования для повышения посевных качеств 1 т семян, выраженная через чистый дисконтированный доход, за пять лет увеличивается на 76615 тыс. руб.
7. Предлагаемый способ обработки внедрен в технологический цикл предпосевной подготовки семян в СПК «Колхоз-племзавод «Родина»» (прибавка урожая составила 30%) и КНИИСХ имени П.П. Лукьяненко; способ предпосевной обработки и технические решения защищены тремя патентами РФ.

Представлено 18 товаров