автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему: Обоснование параметров электроактивированного раствора и режимов работы бездиафрагменного электроактиватора в технологии предпосевной обработки семян зерновых культур
Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров электроактивированного раствора и режимов работы бездиафрагменного электроактиватора в технологии предпосевной обработки семян зерновых культур"
На правах рукописи
СЮСЮРА НИКОЛАИ АЛЕКСАНДРОВИЧ
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОАКТИВИРОВАННОГО РАСТВОРА И РЕЖИМОВ РАБОТЫ БЕЗДИАФРАГМЕННОГО ЭЛЕКТРОАКТИВАТОРА В ТЕХНОЛОГИИ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР
Специальность 05.20.02,- Электотехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве (по техническим наукам)
АВТОРЕФЕРАТ на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена в Федеральном Государственном Образовательном Учреждении Высшего Профессионального Образования "Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия" (ФГОУ ВПО АЧГАА)
кандидат технических наук, профессор Симонов Николай Михайлович (ФГОУ ВПО АЧГАА)
доктор технических наук, профессор Оськин Сергей Владимирович (КубГАУ);
кандидат технических наук, доцент
Гетманенко Владимир Михайлович (ФГОУ ВПО АЧГАА).
Ставропольский государственный аграрный университет (СтГАУ)
Защита состоится "//" 2003 года в ¥3 ^ на заседании диссер-
тационного совета Д 220.001.01 при Азово-Черноморской государственной аг-роинженерной академии (ФГОУ ВПО АЧГАА) по адресу: 347740, Ростовская область, г. Зерноград, ул. Ленина 21,8 корпус, зал заседаний диссертационного совета.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО АЧГАА. Автореферат разослан " 2003 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, / Н. И. Шабанов
Общая характеристика работы
Актуальность темы. На современном этапе сельское хозяйство России -важная часть экономики страны. Здесь сконцентрировано 13% основных производственных фондов, 14% трудовых ресурсов, производится около 6% валового внутреннего продукта. Увеличение продукции растениеводства является главной задачей сельского хозяйства, решение которой возможно на основе значительного повышения урожайности зерновых культур.
Современное состояние науки позволяет уделить особое внимание нехимическим методам обработки семян с целью защитно-стимулирующего воздействия. В настоящее время ведутся работы по созданию новых электрофизических методов воздействия на семена. Их применение позволяет уменьшить остаточное количество ядохимикатов и гербицидов.
В последние годы расширились исследования по использованию электроактивированных растворов для стимуляции и обеззараживания семенного материала. Ряд авторов: Байковская Е.Ю., Бахир В.М., Билеткова Г.В., Глущенко H.A., Григорьев Д.А., Исламгазниева JI.M., Ксенз Н.В., Смиган В.В., Симонов Н.М., Филоненко A.B., Шульгина И.В. и др. подтвердили их эффективность.
Однако эти разработки позволили выявить лишь одностороннее действие получаемых растворов (либо стимуляция - католитом, либо обеззараживание -анолитом). Поэтому получение электроактивированого раствора (ЭАР), позволяющего одновременно производить комплексное воздействие на семена зерновых культур является актуальным.
Цель работы: обоснование параметров электроактивированного раствора, используемого для стимуляции и поверхностного обеззараживания семян зерновых культур, а также режимов работы бездиафрагменного электроактиватора для его получения.
Объект исследования: технологический процесс предпосевной обработки семян зерновых культур электроактивированным раствором, получаемым в бездиафрагменном электроактиваторе.
Предмет исследования: взаимосвязи между параметрами электроактивированного раствора, режимами работы бездиафрагменного электроактиватора и эффективностью применения данного раствора для улучшения посевных качеств семян зерновых культур.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- выявлено стимулирующее влияние ЭАР, получаемого в бездиафрагменном электроактиваторе на посевные качества семян зерновых культур;
- получены математические модели, описывающие влияние ЭАР на степень поверхностного обеззараживания и полевую всхожесть семян зерновых культур;
- получены математические модели, позволяющие подобрать режим работы бездиафрагменного электроак ЭАР с заданны-
- получена математическая модель, описывающая влияние ЭАР на степень
смачивания семян зерновых культур.
Технологическая новизна подтверждается патентом на способ обработки.
Практическая значимость работы. Разработанная электротехнология предпосевной обработки семян зерновых культур ЭАР, получаемым в бездиа-фрагменном электроактиваторе, позволяет получать экологически чистую продукцию и способствует увеличению урожайности на 0,23. 0,77 т/га в зависимости от возделываемой культуры.
Реализация результатов исследований. По результатам исследований разработана технология предпосевной обработки семян, которая использована в БУОХ РИПКК АПК, учебно-опытном фермерском хозяйстве ФГОУ ВПО АЧГАА и подтверждена актами внедрения.
Бездиафрагменный электроактиватор в 2000 году экспонировался на ВДНХ.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены, одобрены и рекомендованы к публикации на научных конференциях: АЧГАА (1999-2003), СГСХА (1999), ВНИПТИМЭСХ (2001), КГАУ (2003), РФ РИАМА (1999, 2002).
Публикации. Основные положения работы изложены в 12 работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и приложений, содержит 159 страницы машинописного текста, 33 рисунка, 31 таблицу, список литературы из 123 наименований, в том числе 4 зарубежных авторов. Имеется 5 приложений на 5 страницах.
На защиту выносятся следующие положения: -параметры электроактивированного раствора, получаемого в бездиафраг-менном электроактиваторе, оказывающие стимулирующее и поверхностно-обеззараживающее воздействие;
—режимы работы бездиафрагменного электроактиватора, позволяющие реализовать параметры электроактивированного раствора, требуемые технологией;
-технология предпосевной обработки семян электроактивированным раствором, получаемым в бездиафрагменном электроактиваторе.
Во введении обоснована актуальность темы и ее практическая значимость.
В первой главе рассмотрены известные способы предпосевной обработки семян зерновых культур, позволяющие повысить их урожайность. Показано, что все существующие способы по направленности воздействия можно разделить на две группы: стимуляция процессов прорастания и защита семян от болезней и вредителей (обеззараживание). Установлено, что увлажненные семена наиболее стабильно реагируют на воздействия различных факторов. Рассмотрены существующие технические средства для получения ЭАР. Для получения максимального эффекта необходимо рассматривать электроактивированные растворы, оказывающие комплексное воздействие.
На основании приведенного анализа выявлены основные направления со-
вершенствования предпосевной обработки семян с использованием ЭАР и сформулированы следующие задачи исследований:
- определить параметры ЭАР, повышающие полевую всхожесть семян зерновых культур за счет стимулирующего воздействия и поверхностного обеззараживания;
- обосновать режимы работы бездиафрагменного электроактиватора для получения ЭАР с требуемыми технологическими параметрами;
- исследовать процесс получения электроактивированного раствора в бездиафрагменном электроактиваторе и выявить его рациональные параметры;
- исследовать процесс смачивания поверхности семян зерновых культур ЭАР в зависимости от водородного показателя и содержания активного хлора;
- определить эффективность применения ЭАР с щелочным водородным показателем и содержанием активного хлора для предпосевной обработки семян зерновых культур.
Во второй главе проведен системный анализ процесса предпосевной обработки семян ЭАР, получаемого в бездиафрагменном электроактиваторе. Показано, что общую задачу интенсификации данного процесса целесообразно разбить на ряд частных задач с меньшим числом переменных (рис.1).
Исследование и обоснование параметров ЭАР и режимов работы бездиафрагменного электроактиватора в технологии предпосевной обработки семян зерновых кулыур
Научно - теоретическое обеспечение решения научных задач
Обоснование процесса получения ЭАР в бездиафрагменном электроактиваторе
Статистическая модель воздействия ЭАР на степень смачивания
Статистическая модель воздействия электроактивированных растворов на посевные качества семян
Обоснование использования технических средств, беспечивающих решение научных задач
Разработка бездиафрагменного электроактиватора для использования в | технологических схемах АПК
Разработка блока питания
Разработка технологической схемы использования эяектро-активатора в предпосевной обработке
Общие выводы и рекомендации I
Эколого - экономическая эффективность от применения электроак-гивированных растворов
Экономическая эффективность от снижения использования ядохимикатов
Экономическая эффективность от прибавки урожая за счет влияния электроактивированных растворов
Рис. 1 Структурная схема решения поставленных научных задач
В третьей главе дано описание экспериментальной установки и технических средств измерений. Описаны условия проведения экспериментов и ог-
раничения, накладываемые на исследуемые параметры. Изложена программа исследований, приведены методики проведения экспериментов.
Для исследований нами использовался бездиафрагменный электроактиватор, состоящий из электролизной ванны объемом 0,001 м3, с графитовыми электродами площадью 0,008 м2 (рис.2).
Рис. 2 Экспериментальный бездиафрагменный электроактиватор,
1- электролизная ванна; 2- водно-солевой раствор;
3- электроды; 4- блок питания.
Для измерения тока и напряжения в цепи постоянного тока использовались амперметр М2015 класса точности 0,2 и вольтметр М2018 класса точности 0,2. Качество электроактивированного раствора контролировалось по концентрации активного хлора в растворе и величине рН. Определение величины рН проводилось с использованием ионометра ИО-130. Концентрация активного хлора в растворе определялась по ГОСТ 18190-72 «Вода питьевая. Методы определения содержания активного хлора».
В четвертой главе проведено исследование влияния электроактивированного раствора с щелочным водородным показателем и содержанием активного хлора на полевую всхожесть семян пшеницы «Донской маяк».
Для определения параметров ЭАР, оказывающих наибольший эффект, нами построена двухфакторная модель (рис. 3). Уравнение множественной регрессии, выражающее зависимость всхожести - у от рН (8,6-9,7) электроактивированного раствора Х| и от содержания активного хлора (4,15-11) в нем х2, ■< получено в виде:
= 64,74 + 2,28\1 + 0,27х2. (1)
Модель, построенная на основании многофакторного корреляционно-регрессионного анализа, позволяет оценить с достаточной степенью достоверности меру влияния на исследуемый результативный показатель совместного воздействия включенных в модель факторов, а также каждого в отдельности. Анализируя выражение (1), можно сделать следующие выводы:
- показателем тесноты связи, устанавливаемой между результативными и
двумя или более факторными признаками, является совокупный коэффициент множественной корреляции Хя • В случае линейной двухфакторной свя-
зи совокупный коэффициент множественной корреляции рассчитывался по зависимости
Рис. 3 Зависимость полевой всхожести пшеницы «Донской маяк» от рН и содержания активного хлора в растворе.
Поскольку КуХ]Хг =0,92, то по Чеддоку суммарное влияние активного
хлора и водородного показателя на полевую всхожесть имеет весьма тесную связь;
- определение частных коэффициентов эластичности:
показывает, что по абсолютному приросту наибольшее влияние на всхожесть оказывает рН раствора. Положительные коэффициенты уравнения регрессии свидетельствуют, что ни один из факторов не оказывает негативного воздействия на семенной материал. Увеличение рН на 1 % приведет к увеличению полевой всхожести на 0,17%, а увеличение содержания активного хлора в растворе - на 0,02%.
Так как модель имеет верхние ограничение по рН - 9,7 и активному хлору - 11 г/лис учетом анализа результатов лабораторных и полевых экспериментов, для практического использования рекомендуется принимать верхнюю границу по рН - 9,5, а по активному хлору - 10 г/л.
Практическое использование модели заключается в возможности выбора параметров электроактивированного раствора, при которых будет получена полевая всхожесть семян зерновых культур, требуемая технологическим про-
активного хлора, г/л
' рН раствора, ед. рН
84,34 84,95 85,55 86,16 86,76 87,37 87,97 88,58 89,18 89,79 аЬте
Как показали исследования, немаловажное значение имеет время воздействия на семена пшеницы электроактивированного раствора (табл.1).
Зависимость лабораторной всхожести семян озимой пшеницы «Донской маяк»
Экспозиция, мин 0,25 | 0,5 0,75 1 1,5 | 2 2,5 5 1
Вариант обработки лабораторная всхожесть, %
рН 8,98; 5г/л содержание активного хлора 85,75 86 88,5 89,75 91 91,25 92,5 90
рН 9,3; 7,5г/л содержание активного хлора 89,75 90,75 91,25 92,5 93,75 94,75 94 87,8
рН9,5; Юг/л содержание активного хлора 92,25 92,5 94,25 94,75 94,75 94,25 93,75 82,5
С помощью программы 81айз1ка построили поверхность отклика (рис.4)
и получили уравнение регрессии = ^Ь^(х).
содержание активного хлора, г/л
время замачивания, мин
Рис. 4 Статистическая модель влияния времени обработки электроактивированным раствором на лабораторную всхожесть озимой пшеницы «Донской маяк»
Уравнение регрессии с учетом значимости коэффициентов регрессии выглядит следующим образом:
У = 68,897 + 3,704х! + 8,967х2 - 0,14х? - 0,58х1х2 - 0,971 х] (4)
Продифференцировав это уравнение, решаем систему:
Ух = 3,704 - 0,28x1 - 0,58х,
У х2 = 8,967 - 0,58хх - 1,954х2 1 ;
Решая данную систему уравнений методами математического анализа, определили, что функция лабораторной всхожести имеет максимум в стационарной точке (X) = 9,6 г/л; Хг = 1,74 мин) у = 91,33.
Опыт мирового земледелия свидетельствует, что при его интенсификации, особенно при использовании высокоурожайных сортов различных культур и высоких доз удобрений, существенно возрастают потери от вредителей, болезней и сорняков, которые могут достигать 30% валового сбора урожая. Качественный посевной материал должен иметь не только высокую всхожесть, но и быть свободным от возбудителей болезней растений. В этих условиях изучение дезинфицирующего действия электроактивированного раствора, обогащенного активным хлором, приобретает особое значение (табл.2).
Поверхностное обеззараживание семян активным хлором
Номер опыта С1, г/л Зараженность, % Сумма по повтор., % Средние, % «5
1 0,79 13 11 12 11 47 11,75 0,917
2 1,50 10 13 12 13 48 12 2,000
3 3,12 11 10 9 12 42 10,5 1,667
4 4,15 8 12 10 13 43 10,75 4,917
5 5,33 10 5 7 8 30 7,5 4,333
6 5,79 8 6 5 9 28 7 3,333
7 7,11 5 4 5 7 21 5,25 1,583
8 8,46 6 3 8 7 24 6 4,667
9 8,53 3 2 0 4 9 2,25 2,917
10 9,95 2 1 0 3 6 1,5 1,667
11 10,30 1 2 2 1 6 1,5 0,333
12 10,05 0 2 1 0 3 0,75 0,917
13 10,8 1 1 3 1 6 1,5 1,000
14 11,10 0 2 1 1 4 1 0,667
15 11,0 1 0 0 3 4 1 2,000 |
Уравнение однофакторной корреляционной связи имеет вид:
у = 11,57 + 0,63х - 0,33х2 + 0,02х3 Коэффициент детерминации т)2 = 0,56, следовательно, 56% общей вариации зараженности семян зависит от количества активного хлора в растворе. Теснота связи при нелинейной зависимости между результативным и факторным признаками г| = 0,75 • В соответствии
с соотношениями Чеддока можно сделать вывод, что связь между степенью зараженности семян болезнями и содержанием активного хлора в растворе тесная.
Общим недостатком всех протравителей является
0 2 4 6 8 10 12 § содержание активного хлора в растворе, г/л
Рис. 5. Влияние содержания активного хлора в растворе на степень поверхностного заражения семян пшеницы «Донской маяк»
их плохое прилипание к поверхности посевного материала. Это обусловлено изменением поверхностного натяжения воды при добавлении к ней протравителей и, как следствие, плохой смачиваемостью поверхности семян зерновых культур. В связи с этим возникла необходимость исследований взаимодействия двух сред (жидкой - электроактивированного раствора, и твердой - поверхности семян зерновых культур).
ЭАР является жидкостью с определенными параметрами, поэтому он подчиняется всем законам, которым подчиняются жидкости. Смачивание зависит от характера сил, действующих между молекулами поверхностных слоев соприкасающихся сред.
Капля жидкости при отсутствии внешних сил будет принимать такую форму, чтобы при заданном объеме она имела минимальную поверхность, то есть форму шара. Это означает, что она стремится сократить площадь поверхности соприкосновения с другим телом. Поэтому по геометрическим размерам капли можно косвенно судить о степени смачивания жидкостью поверхности семян зерновых культур (рис.6).
Анализируя данный рисунок, можно сказать, что при стремлении к => 1 поверхность соприкосновения двух сред уменьшается (эО, а краевой угол становится острым. При к => оо поверхность соприкосновения увеличивается (з2), а краевой угол становится тупым. Таким образом, полученный коэффициент к, будет характеризовать относительную степень смачивания жидкостью твердое тело.
Рис. 6. Определение смачиваемости поверхности семян пшеницы.
На основании вышеизложенного, нами высказано предположение, что электрохимическая активация водного (водно-солевого) раствора изменяет его поверхностное натяжение.
При выявлении влияния вариации факторного признака X (рН электроактивированного раствора) на результативный признак У (смачивание семени) была использована методика так называемой парной корреляции или однофак-торный корреляционный анализ.
Согласно выполненным расчетам, статистическая модель влияния рН раствора на степень смачивания семян при обработке их перед посевом пред-
ставлена уравнением однофакторной линейной корреляционной связи:
Для уточнения формы связи между рассматриваемыми признаками используем графический метод. Нанесем на график, точки соответствующие степени смачивания и рН раствора, и соответственно регрессионную модель (рис.7).
Правильность формы связи проверялась по линейному коэффициенту корреляции:
Теснота корреляционной связи определяется эмпирическим корреляционным отношением г|:
7,5 8 8,5 9 9,5 10 рН раствора, ед. рН.
Рис. 7. Зависимость степени смачивания поверхности семян от рН ЭАР
Так как коэффициенты т^ и г совпали, то связь между изучаемыми признаками прямолинейна.
Определение коэффициентов эластичности показало, что с возрастанием рН раствора на 1% степень смачивания увеличивается на 2,4%.
Для проверки высказанного предположения было проведено по 60 опытов с дистиллированной, водопроводной и электроактивированной водой. Гипотеза о нормальном распределении степени смачивания проверялась по критерию соответствия хи-квадрат:
Оценка разности средних значений степени смачивания в опытах может быть произведена по критерию г:
X — X лопыт диет
В результате статистического анализа относительная степень смачивания электроактивированной воды превышает на 43% дистиллированную воду и на 37% водопроводную (рис.8).
Полевые экспериментальные исследования по воздействию электроактивированного раствора с рН 9,5 и содержанием активного хлора 10 г/л были заложены согласно методике Государственной комиссии по сортоиспытанию сельскохозяйственных культур (1971г.) в учебно-опытном фермерском хозяйстве ФГОУ ВПО АЧГАА и на опытных полях БУОХ РИПКК АПК Зерно-градского района Ростовской области (табл.3).
Предлагаемый электроактивированный раствор хорошо согласуется с протравителями и биостимуляторами, что позволило провести предпосевную обработку семян зерновых культур, не усложняя существующей технологии на базе протравителя ПС-10А.
Влияние предпосевной обработки электроактивированным раствором рН 9,5 С110 г/л на полевую всхожесть семян зерновых культур
Рис. 8. Степень смачивания поверхности семян зерновых культур различными жидкостями
Зерновая культура Энергия прорастания^ Лабораторная всхожесть, % Полевая всхожесть, % Урожайность, т/га
Контроль Обработка Электроактивированным раствором Контроль Обработка Электроактивированным раствором Контроль Обработка Электроакги-вированным раствором Контроль Обработка Электроактивированным раствором
Ячмень «Мамлюк» 83 93 83,5 96 70 87 1,83 2,35
Ячмень «Виконт» 92 95 94 97,3 86 90,4 2,41 2,64
Пшеница «Подарок Дону» 93 94 95 99 75,2 90 5,2 5,97
Пшеница «Донской маяк» 80 87 81,1 91,7 76 89 4,0 4,73
Их результаты свидетельствуют, что предпосевное стимулирование активизирует процессы роста и развития растений уже на начальных этапах органогенеза, что способствует более быстрому появлению всходов, лучшей их со-
хранности к моменту кущения и формированию более выровненного стеблестоя на единице площади. Растения, выросшие из семян, обработанных электроактивированным раствором (рН 9,5 и содержанием активного хлора), имеют вдвое большую глубину залегания узла кущения, что способствует значительному увеличению их зимостойкости. В результате этого создаются более благоприятные условия к получению гарантированного урожая.
Теоретическая зависимость поверхностного обеззараживания подтверждена испытательной лабораторией Федеральной государственной территориальной станции защиты растений в Ростовской области (табл.4).
Результаты фитопатологического анализа семян озимой пшеницы
Характеристика Заспоренность зараженность, %
образца твердой головней гельми- фуза- альтерна- плесне- бакте-
(спор/зерновку) носпориоз риоз риоз вение риоз
обработка ЭАР с рН
9,5 и содержанием 3,4 0 1 9 0 0
активного хлора 10 г/л
общая зараженность - 10%
контроль 6 0 2 11 1 0
общая зараженность - -14%
Анализ полученных данных позволяет утверждать, что использование электроактивированного раствора, содержащего активный хлор, вполовину снижает зараженность большинством поверхностных заболеваний.
При создании любой конструкции электроактиватора с твердыми электродами приходится решать ряд вопросов, обуславливаемых общими закономерностями, характером и условиями протекания процесса, свойствами исходных и получаемых в ходе электролиза продуктов, необходимостью регулирования и управления ходом процесса.
Для качественной работы электроактиватора нами рекомендуется принять электроды одного материала - графита. Меняя полярность на электродах, мы увеличим срок их службы. Скорость разрушения графитовых электродов в большой степени зависит от технологических условий работы электроактиватора. Износ графитового анода прямо пропорционален повышению температуры раствора, чему также способствует повышение плотности тока. Таким образом, оптимальные условия работы графитового анода соответствуют некоторой средней плотности тока 1,9 - 2,2 кА/м2.
Одним из важнейших геометрических параметров, влияющих на технологические и энергетические показатели процесса электроактивации водно-солевого раствора, является межэлектродное расстояние. С одной стороны оно влияет на удельный расход энергии и производительность, с другой - на надежность и долговечность работы электродов. Уменьшение межэлектродного расстояния улучшает выход продукта по току, но чрезмерное уменьшение может привести к увеличению потерь напряжения в электролите из-за роста газонаполнения. Нами были исследованы вольтамперные характеристики графито-
вых электродов, позволившие определить параметры работы бездиафрагменно-го электроактиватора и наилучшее межэлектродное расстояние (рис.9).
Используя метод крутого восхождения, исследуем область экстремума и с помощью программы Statistica строим нелинейную модель, описывающую поведение функции отклика вблизи оптимума (рис. 10).
Для определения рациональных параметров работы электродов необходимо исследовать полученное уравнение на экстремум.
Полученное уравнение регрессии с учетом
И 15,0-20,0 □ 10,0-15,0
межэлектродное расстояние, см
Рис. 9 Вольтамперные характеристики графитовых электродов в зависимости от межэлектродного расстояния
значимости коэффициентов регрессии имеет вид:
у = -24,353 + 2,966х! + 9,732х2 - 2,579*; + 0,243x^2 - 0,623x2 • (12)
В результате математического анализа, для данных электродов рациональным режимом работы является: напряжение 13 В, ток 16 А при межэлектродном расстоянии 1см.
Для оценки влияния различных режимов работы электроактиватора на параметры электроактивированного раствора нами был проведен двухфактор-ный эксперимент. Исследование влияния выбранных факторов (тока и времени работы электроактиватора) на водородный показатель и содержание активного хлора в ЭАР проводилось с использованием ортогонального плана второго порядка, условия эксперимента и матрица планирования которого представлены в табл.5.
Рис. 10 Статистическая модель функции отклик в области экстремума
Наименование Натуральные значения факторов
Х^-ток, А Х2-время, мин
Основной уровень Хдо 9 17,5
Интервал варьирования .1, 6 12,5
Верхний уровень (+1) 16 30
Нижний уровень(-1) 2 5
В результате обработки экспериментальных данных получены математические модели, пригодные для практического применения:
у, = 8,03 + 0,05^ + 0,03х2 + 0,002^ х2 - 0,0015х2 - 0,0006х2. (13)
у2 = 0,86-0,307х! +0,169х2 +0,026х,х2 +0,012х12 -0,0051х2. (14) По полученным зависимостям построены поверхности функции отклика (рис.! 1, рис.12), по которым можно определить различные сочетания факторов (тока и времени работы), необходимые для получения рН - 9,5 и содержанием активного хлора - 10 г/л.
Данные модели позволяют подбирать различные режимы работы бездиа-фрагменного электроактиватора для получения параметров раствора, требуемых технологией предпосевной обработки семян, в зависимости от возможностей экспериментаторов.
время работы, мин
время работы, мин
Рис. 11 Поверхность функции отклика Рис. 12 Поверхность функции отклика рН ЭАР от значения тока и времени содержания активного хлора от значе-работы бездиафрагменного электроак- ния тока и времени работы бездиа-тиватора фрагменного электроактиватора
При электролизе, в реакциях на электродах принимают участие все компоненты раствора при сопоставимых концентрациях растворенных в исходной воде минеральных солей и добавленного хлорида натрия. Продукты этих реак-
ций оказывают существенное влияние на свойства полученных растворов.
По количеству полученного целевого продукта электролиза можно подсчитать, какая часть тока израсходована полезно. Эта часть тока, выраженная в долях единицы, называется коэффициентом использования тока, выраженная в процентах - выходом по току:
Фактическое количество активного хлора ёца) определялось по стандартной методике в соответствии с ГОСТ 18190-72 «Метод определения остаточного активного хлора».
Рациональное время работы электроактиватора складывается из двух зависимостей с одной стороны максимальным выходом продукта (т),%):
т] = 0,0434 - 1,8731х2 + 0,6008х22 - 0,0151х23 -> шах , (16) с другой - максимальным обеззараживающим эффектом, оказываемым раствором на семена зерновых культур (в, %):
G = 48,471 + 4,5167х2 - 0,2368х22 + х0,003х23
Рис. 13 Определение рационального времени работы электроактиватора
6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 I время, мин
А Выход по току, %
♦ Рациональное время работы, мин
Для определения рационального времени работы был проведен математический анализ и обработка в программе Microsoft Excel (рис.11). Целевая функция определения оптимального времени работы электроактиватора примет вид:
у = 44,891 + 4,0683х2 + 0,2335х2 2 - 0,0088Х23. (18)
Исследование ее на экстремум позволило определить рациональное время работы электроактиватора (точка максимума), которое составило 24 мин.
Необходимость регулирования электрических параметров вызывается изменениями электрического сопротивления электролита вследствие нагрева, изменения его химического состава, утечек тока, нарушений нормального режима эксплуатации, выведения из работы электроактиватора, а также колебаниями напряжения питающей сети, что в свою очередь приведет к снижению качества раствора (рис. 14).
Для обеспечения требуемых конструктивных и электрических параметров, в соответствии с определенными выше, нами предлагается использовать блок питания, который автоматически поддерживает величину силы тока на электроактиваторе и снизит разброс параметров ( рис. 15).
А А А. АААА, .4444. >4444< АААА,
время работы, мин ■ ток, А
>4444. 444А. АААА 444Д
время работы, мин ■ ток, А
Рис. 14. Основные характеристики бездиафрагменного электроактиватора в течение времени работы
Рис. 15. Основные характеристики бездиафрагменного электроактиватора с применением предлагаемого блока в течение времени работы
Данный блок предполагается использовать в сельскохозяйственном производстве, что позволит не проводить химический анализ электроактиви-• рованного раствора, а гарантированно получать раствор с заданными парамет-
В пятой главе дана технико-экономическая оценка использования ЭАР, получаемого в бездиафрагменном электроактиваторе, в предпосевной обработке семян зерновых культур.
Работа выполнялась на кафедре «Применение электрической энергии в сельском хозяйстве» Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» (г. Зерноград Ростовской области).
1. Исследование воздействия электроактивированного раствора на семена позволило установить зависимость полевой всхожести семян от параметров электроактивированного раствора. Наиболее эффективно применение электроактивированного раствора с рН 9,5 и содержанием активного хлора до 10 г/л, при этом полевая всхожесть составила 91,7 %.
2. Математическая модель, отражающая зависимость лабораторной всхожести от содержания активного хлора в электроактивированном растворе, времени его воздействия на семена, согласуется с требуемой технологическим процессом экспозицией в ПС-10А. Для предлагаемой технологии обработки семян электроактивированным раствором эффективное время экспозиции составило 1,74 мин, а лабораторная всхожесть равна 91%.
3. Анализ свойств ЭАР, получаемого в бездиафрагменном электроактиваторе, показал, что обеззараживающее действие данного раствора на 93,4% обусловлено наличием активного хлора в растворе, позволяющего снизить зараженность семян в пределах 10%.
4. Смачивающая способность электроактивированного раствора, получаемого в бездиафрагменном электроактиваторе, на 43% превышает смачивающую способность дистиллированной воды и на 37% водопроводной, что ведет к ускорению процесса стимуляции семян и повышает эффективность технологии обработки.
5. Теоретические и экспериментальные исследования конструктивных параметров и режимов работы бездиафрагменного электроактиватора позволили выявить его рациональные параметры: межэлектродное расстояние - 1 см, время работы 24 мин, при которых обеспечиваются минимальные затраты энергии и гарантированное получение электроактивированного раствора с рН 9,5 и содержанием активного хлора 10 г/л.
6. Математические модели, связывающие величину рН раствора и содержание активного хлора с током и напряжением, позволяют определить режимы работы электроактиватора, необходимые для получения электроактивированного раствора с заданными параметрами. Для получения электроактивированного раствора с параметрами рН 9,5 и содержанием активного хлора Юг/л необходимо поддерживать ток 16А, плотность тока 2 кА/м2 плотность напряжения 8 В, что обеспечивается применением блока питания со стабилизацией.
7. Использование бездиафрагменного электроактиватора для предпосевной обработки семян электроактивированным раствором рН 9,5 и содержанием активного хлора 10 г/л позволяет повысить энергию прорастания на 3. 10%, лабораторную всхожесть на 3,3. 13,5%, полевую всхожесть на 4,4. 13% при повышении урожайности на 0,23. 0,75 т/га в зависимости от культуры.
8. Применение электроактивированного раствора в предпосевной обработке семян зерновых культур электроактивированным раствором рН 9,5 и содержанием активного хлора 10 г/л позволит получить чистый дисконтированный доход в размере 19665,87 руб./т с использованием химических протравителей и 24728,10 руб./т без их применения.
Основные положения диссертации представлены в следующих работах:
1. Сюсюра Н. А Определение режимов работы бездиафрагменного электроактиватора для предпосевной обработки семян зерновых культур / Н. А. Сюсюра // Электротехнологии и электрооборуд. в сельскохоз. производстве. - Зерноград, 2003. - С. 62-67.
2. Сюсюра H.A. Применение электроактивированных растворов для предпосевной об-I работки семян /Н.М.Симонов, E.H. Симонова, H.A. Сюсюра // Совершенствование технолог.
процессов, машин и аппаратов в инженер, сфере АПК: Материалы науч. конф,- Зерноград,
1999.-Вып. 1. - С.87-88.
3. Сюсюра H.A. Воздействие электроактивированных растворов на посевные качества i семян зерновых культур /Н.М.Симонов, H.A. Сюсюра, E.H. Симонова // Современные достижения биотехнологии - вклад в науку и практику XXI века: Материалы Всерос. конф,-Ставрополь, 1999- С.24
4. Сюсюра Н А. Анализ процесса взаимодействия активированных растворов с семенами при обработке перед посевом / H.A. Сюсюра, E.H. Симонова // Материалы науч. конф. -Зерноград,2001. - Вып. 2.-С.132-133.
5. Сюсюра H.A. Влияние электроактивированных растворов на посевные качества семян зерновых культур /H.A. Сюсюра, E.H. Симонова // Научно-техн. процесс в инженерной сфере АПК: Тез. докл. научн.-практ. конф./ РИАМА,- Зерноград, 1999 - С.12-14.
6. Сюсюра Н А. Анализ смачивающей способности электроактивированного раствора / В. С. Газалов, Н. М. Симонов, Н. А. Сюсюра // Электротехнологии и электрооборудование в с.-х. пр-ве. - Зерноград, 2002. - С. 31-33.
7. Сюсюра H.A. Использование электроактивированной воды для обеззараживания и стимуляции семян зерновых культур / Н. М. Симонов, Н. А. Сюсюра // Электротехнологии и электрооборудование в с.-х. пр-ве. - Зерноград, 2002. - С. 38 - 39.
8. Сюсюра H.A. Обоснование параметров электродов электроакгиватора для производства активированных растворов в АПК /Н.М. Симонов, H.A. Сюсюра // Исследование и реализация новых технологий и техн. средств с.-х. производстве. - Зерноград, 2001. - С. 236-241.
9. Сюсюра H.A. Предпосевная обработка семян зерновых культур электроактивированными растворами / Н.М.Симонов, H.A. Сюсюра, E.H. Симонова // Вест. с.-х. наук-2000. -№6.-С. 46
Ю.Сюсюра H.A., Симонова E.H. Патент №2195800 «Способ стимуляции всхожести семян зерновых культур» ФГОУ ВПО Азово-Черномор. гос. агроинж. акад.-N92001110738/13(011134); Заявл. 18.04.2001 // Бюл.1.
11. Сюсюра H.A. К вопросу обоснования параметров электроактиваторов водных растворов / Н.М.Симонов, H.A. Сюсюра; Азово-Черномор. гос. агроинж. акад.- Зерноград,
2000.-7C. - Деп. В ВИНИИТИ 13.03.00; № 641-В2001.
12. Сюсюра H.A. Определение режимов работы бездиафрагменного электроактиватора * для предпосевной обработки семян зерновых культур / Н. А. Сюсюра // Электротехнологии и
электрооборудование в с.-х. пр-ве. - Зерноград, 2003. - С. 62-67.
ЛР 65-13 от 15.02.99. Подписано в печать 30.10.2003. Зак. Kg 469. Формат 60x84/16 Уч.изд.1,0. Тираж 100 экз.
Редакционно-издательский отдел ФГОУ ВПО АЧГАА. 347740 Зерноград, ул.Советская, 15