154 Разработка технологии электроимпульсного воздействия на
реклама
Разработка технологии электроимпульсного воздействия на биологические объекты для сельскохозяйственного производства Севера 1 Усов А.Ф., Кашулин П.А., Стогова Я.А., Агеев И.В., Калачева Н.В. Центр физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра РАН Россия занимает одно из первых мест в мире по площади посевов зерновых культур, однако по урожайности в несколько раз отстает от многих стран. В производстве зерновых недобор продукции обусловлен снижением урожайности из-за сорняков; в производстве технических культур - высоки потери продукции на стадии ее уборки из-за неодновременного поспевания; в производстве зеленых кормов для животноводства сохранение и качество продукции в значительной степени зависит от погоды. Сельскохозяйственное производство в зоне рискованного земледелия, а это значительная часть территории России, нуждается в совершенных технологиях, повышающих эффективность выращивания, уборки и хранения продукции растениеводства, снижающих потери продукции из-за неблагоприятных географических и климатических условий. Хорошие возможности для решения этих проблем имеет электроимпульсный способ биоповреждения растительных тканей, основанный на использовании воздействия в виде кратковременных разрядов небольшой мощности. В России с середины шестидесятых годов начаты исследования технологической и энергетической сущности и параметров электроискровой обработки растительных объектов сельскохозяйственного производства с различными технологическими целями – для ускорения одновременного дозревания на корню подсолнечника и листьев табака /1/, для повышения эффективности извлечения сока из плодового сырья. Была предложена интенсификация процесса сушки различных растительных материалов, сенных трав, плодов, фруктов и винограда электрической обработкой. Для борьбы с нежелательной растительностью предложены и исследованы различные варианты электрического способа обработки сорняков /2/. Все приведенные работы имели конечной целью создание конкретных технических средств и установок для практической реализаций новых электротехнологических приемов и процессов. Степень совершенства любого создаваемого устройства зависит от степени соответствия сформировавшегося в результате исследований представления о технологическом процессе (модели) его действительному содержанию. Получение точной модели во всех рассматриваемых случаях осложнено тем, что объектом непосредственного воздействия электрической энергии является живая растительная ткань, электрофизические параметры которой еще изучены недостаточно. Поэтому для достижения наибольшего технологического эффекта электрической обработки необходимо, прежде всего, знание технологической сущности электрофизического воздействия на ткань растений, знание главного повреждающего ткань фактора, знание энергетических, технологических параметров, режимов обработки и разрядного контура. Процесс повреждения растительной ткани при воздействии на нее высокого напряжения может протекать следующим образом. Когда к каким-то двум участкам стебля растения подведено напряжение, то вся ткань стебля между точками подведения окажется под действием сил электрического поля. Поскольку основой строения и жизнедеятельности стебля любого растения является растительная клетка, то и результат действия электрического поля на растительную ткань будет определяться именно реакцией клеток на это воздействие. В соответствии со строением и электрофизическими 1 Исследование выполнено при поддержке РФФИ (проект №07-08-97607-р_офи) 154 свойствами клетки приложенное к ней напряжение распределится между основными ее элементами — цитоплазмой и клеточной мембраной — пропорционально их сопротивлениям. Поскольку удельное сопротивление цитоплазмы ρц=100 Ом•см, а мембраны 108...109 кОм • см или 1...10 кОм на каждый см2 поверхности мембраны, то для среднестатистической клетки шаровой формы диаметром 70 • 10-6 м сопротивление мембраны равно 105...106 Ом, а сопротивление цитоплазмы - 17 • 103 Ом. Как видно, сопротивления различаются в 6...60 раз, в среднем примерно в 30 раз. Во столько же раз напряжение на мембране будет больше напряжения на цитоплазме. А если учесть, что суммарная толщина мембраны с двух сторон клетки меньше размера цитоплазмы в 3 500 раз, то напряженность электрического поля в мембране выше напряженности поля в цитоплазме в 100 тысяч раз. Вероятно, что именно под действием электрического поля такой высокой напряженности и начинается повреждение клетки. Иными словами, электрическое повреждение отдельной клетки или совокупности клеток растительной ткани начинается именно с повреждения клеточных мембран. По современным представлениям мембраны растительных клеток построены в основном из белков (50...70%), липидов (38...17%) и углеводов (15...10%). Углеводы обычно связаны либо с молекулами белков, либо с молекулами липидов. Белки имеют сильные связи с липидами. В функциональном отношении белки мембран разделяют на ферментативные, транспортные, регуляторные и структурные, выполняющие «опорностроительные» функции и являющиеся жесткой белковой мембранной структурой, основанной на дально-действующих белок-белковых связях. Эти белковые соединения, очень сложные по химическому составу, представляют собой протяженные пространственные построения с большим количеством полярных частей их молекул. Наложенное электрическое поле стремится развернуть эти части молекул в соответствии со знаками их полярностей и разрывает внутримолекулярные и межмолекулярные связи мембранных белков и липидов. Возможно, что при этом не только разрываются химические связи, но и из отдельных атомов вырываются электроны, т. е. ионизируются отдельные атомы, а следовательно, и построенные из них молекулы. Очевидно, что в первую очередь разрываются самые слабые химические связи, которые характерны для наиболее сложных и вместе с этим уникальных, наиболее ценных и важных и даже незаменимых молекул. Разрыв отдельных химических связей и ионизация некоторых атомов и молекул приводит к росту числа полярных участков белковых молекул и к лавинообразному разрушению всей жесткой мембранной структуры до превращения ее в однородную массу, т. е. к полному повреждению клеток и всей ткани. Все это сопровождается свободным выходом в межклетник клеточного сока, уменьшением за счет этого электрического сопротивления мембран, исчезновением их емкостных свойств и снижением электрического сопротивления растительной ткани, что и является важнейшим признаком и критерием ее повреждения. Нами проведены оценочные исследования повреждаемости биологических объектов с использованием высоковольтной импульсной техники, создаваемой с учетом специфики электроимпульсного способа разрушения материалов (работы выполняются в ЦФТПЭС КНЦ), и методик исследования, применяемых в Полярноальпийском ботаническом саде-институте при изучении биологии растений, их устойчивости к изменениям среды. В институте выполняются работы с использованием импульсных ЭМ-излучений, оказывающих влияние на физиолого-биохимические процессы в клетках растений, ответственные как за ассимиляционную функцию, так и сопряженные с накоплением фенольных и других соединений. Так, обнаружена дозазависимая модификация содержания биологически активных фенолов (флавоноидов) у растений семейства вересковых, подверженных действию промышленных ЭМ излучений высоковольтной линии электропередач. В клетках животных и человека показано изменение тиол/дильфидного отношения (отношения тиоловых и дисульфидных групп) 155 фракций низкомолекулярных белков цитозоля под влиянием промышленных ЭМ излучений. Совершенствование методического подхода к энергетической оптимизации процессов с использованием результатов изучения неспецифических изменений в клетках растений, совершенствование электротехнического обеспечения процессов заимствованием решений из электроимпульсного разрушения материалов, позволит повысить энергетическую эффективность электроимпульсного биоповреждения и станет новым словом в изучении физики и техники процесса. Генераторный блок и кювета для электроимпульсного воздействия на биологические объекты представлены на рис. 1. Рис. 1 Генераторный блок и кювета для электроимпульсного воздействия Генераторный блок представлен 4-х ступенчатым генератором импульсных напряжений по схеме Аркадьева –Маркса с емкостью в ступени 470 пФ, что обеспечивает на выходе апериодический импульс напряжения в 24 кВ с энергией в импульсе 0,034 Дж, что по порядку величин близко к типичным режимам энергетического воздействия при повреждении. Результаты воздействия на листья и коневую систему растений представлены на рис. 2. Заметное почернения биоповреждения листьев традесканции визуально отмечается уже через 3 часа после воздействия, в дальнейшем контрастность пятна биоповреждения увеличивается, а через сутки началось его усыхание. При воздействии 100 импульсов (3,4 Дж) визуальный эффект ЭИ-биоповреждения в виде потемнения с капельками жидкости на поверхности отмечается сразу же после опыта. При этом пятна потемнения четко ограничено диаметром высоковольтного электрода. Во втором варианте воздействие оказывалось на корневую систему растения. ЭИ воздействие 100 импульсов (3,4 Дж) привело к поражению корневой системы растения (крайний справа) и последующему его засыханию. 156 Рис. 2 Биологические объекты после электроимпульсного воздействия 157 Рис.3. Спектры поглощения водноэтанольных экстрактов грубой фракции хлоропластов листьев растения пшеницы. Голубая кривая – локальная обработка, 25ю импульсами. Зеленая – контроль, отсутствие искусственных ЭМИ воздействий На рис. 3. показаны спектры поглощения грубой вводно-этанольной фракции хлоропластов листьев 15-ти дневных растений пшеницы Triticum aestivum L. сорт «Жница», подвергнутых воздействию импульсных полей с энергией в импульсе 0,034 Дж. Эти параметры близки к типичным режимам энергетического воздействия при электропорации биологических мембран протопластов растений (Борнман, 1991). Воздействие импульсного поля вызывало перераспределение трехвершинной полосы в области поглощения фитохромов 400-460 нм, а также появление новых полос на дифференциальном спектре в ультрафиолетовой области около 360 нм и 260 нм, рис. 4. Появление коротковолновых полос указывает на возможность адаптивного синтеза новых фенольных соединений, поглощающих в УФ области, вызванного воздействием ЭМ полей на листья растений. Спектральные характеристики образцов анализировали через сутки после обработки ЭМ полями, таки образом этого времени было достаточно для их индуцированного синтеза. Помимо этого, у образцов растений наблюдали изменения в синей области спектра поглощения хлорофиллов А и В, обработка 25 последовательными импульсами приводила к исчезновению максимума 529,2 нм и снижение максимума в красной области спектра около 616 нм, что указывает на возможное нарушение редокспотенциала цитохромов фотосинтетической ЭТЦ хлоропластов. 158 Рис. 4. Спектр поглощения этанольных экстрактов листьев пшеницы Triticum aestivum L. «Жница» в ультрафиолетовой области. Голубая кривая- контроль; красная после воздействия 25-ти импульсов. Внизу дифференциальный спектр Таким образом, импульсное воздействие приводит к перестройке белковолипидных комплексов на уровне фотосинтетической электрон-транспортной цепи хлоропластов листьев растений, а также на уровне генома, вызывая индуцированный синтез новых соединений, предположительно фенольных природы, поглощающих в ультрафиолетовой области. В работах технологической направленности, выполненных в России, накоплен значительный опыт в технологическом использовании предложенных процессов. Борьба с сорняками. Для уничтожения нежелательной растительности применяют различные способы, которые с одной стороны имеют высокую эффективность, а с другой стороны достаточно энергоёмки и экологически опасны. Поэтому с учетом данных проблем и разрабатываются другие достаточно эффективные и экологически чистые способы, к которым и относят способ высоковольтных импульсных воздействий. Применение электрической энергии для истребления сорняков можно рассматривать как: альтернативу традиционным методам борьбы с сорняками; применение более экологически чистых технологий в земледелии; попытку подавления и уничтожения трудноискоренимых сорняков; возможность избирательного уничтожения очагов сорных растений, в том числе и карантинных; возможность уничтожения вместе с сорняками вредителей и возбудителей болезней культурных растений, обитающих в почвенно-корневой структуре сорных трав. Изучение материала по использованию электрической энергии для истребления сорняков показало, что имеется достаточная научная база для эффективного практического применения биовоздействия в сельскохозяйственном производстве и в том числе для борьбы с сорняками. В частности: – обоснована применимость к сорным растениям известной эквивалентной электрической схемы замещения растительной ткани и степени повреждения как количественного критерия оценки технологической эффективности импульсного уничтожения сорняков; 159 – выявлено, что наибольшее электрическое сопротивление имеет ткань корневой системы сорных растений, и в процессе развития сорных трав удельное электрическое сопротивление этих тканей возрастает; – установлена зависимость степени повреждения тканей сорных растений от напряжённости электрического поля и длительности воздействия на растения; – предложена методика расчёта основной характеристики разрядного контура – тока при начальном протекании его через живую растительную ткань, обладающую емкостными свойствами, и при последующем – через повреждённую; – исследованы технологические характеристики электроимпульсного воздействия на сорные растения и определены оптимальные параметры процесса уничтожения сорняков. Практическую ценность работы составляют: – обоснование эффективных способов подведения энергии к сорнякам: «навесной электрод – стебель растения – корень растения – почва – заглубленный электрод» и «один навесной электрод – стебель одного растения – корень растения – почва – корень другого растения – стебель этого растения – другой навесной электрод»; – численные значения плотности повреждающего тока или напряжённости электрического поля в растительной ткани сорняков; – удельные значения расхода энергии на повреждение сорной растительности; – оптимальные технологические параметры процесса уничтожения сорных трав и технические условия на устройство для прополки. Для получения наилучших экономических показателей использования электроимпульсного уничтожения сорняков необходимо, чтобы предлагаемая электротехнологическая операция должна быть технологически эффективной, энергетически экономичной и должна выполняться простыми и дешёвыми техническими средствами. Технологическая эффективность истребления сорных растений в первую очередь определяется надёжным повреждением их растительной ткани. Энергетические показатели зависят от минимальных количеств электрической энергии, которые необходимо затратить, для того чтобы величина повреждения тканей сорняков достигла своего предельного значения. Сложность конструкции электротехнологического устройства и его стоимость в значительной мере определяется напряжением обработки: чем ниже напряжение, тем проще, дешевле технические установки и безопаснее их эксплуатация. Разрабатываемая установка должна быть мобильной, простой и дешёвой в эксплуатации, надёжной и безопасной в работе. Предуборочное ускорение дозревания растений Исследованиями ученых и производственным опытом практических работников сельского хозяйства доказано, что наилучший сбор и наилучшее качество семян растений могут быть получены при двухфазной уборке культур. При этом одной из самых перспективных технологий первой фазы уборки является именно электрическая предуборочная обработка стеблей. Принципиально новым технологическим приемом первой фазы уборки является предложенная профессором А. А. Климовым (см. /1/) электроискровая предуборочная обработка растений, сущность которой заключается в следующем. После окончания фазы налива семян стебель растения вблизи корзинки обрабатывается серией электроискровых разрядов в поперечном направлении. Растительные клетки в обработанном сечении разрушаются, образуется специфический тромб, прекращающий приток воды к корзинке и отток питательных веществ из семянок к вегетативным органам растения, благодаря чему период дозревания и высыхания семянок сокращается, а их масличность увеличивается. В обработанном сечении стебля подсолнечника через 1,5-3 часа, в зависимости от степени воздействия, образуется темный поясок шириной 10-15 мм, который постепенно темнеет сильнее и сжимает стебель. В результате значительной потери механической устойчивости на изгиб стебель под тяжестью корзинки сгибается в 160 обработанном сечении и корзинка под собственным весом свешивается вниз. Часть растения, расположенная выше места обработки, быстро высыхает и буреет. Нижняя же часть остается зеленой и может быть убрана на силос. Стебель обрабатывается за 0,005— 0,007 сек. Время зарядки емкости — 0,012—0,015, разряда — 0,001 сек. Через 5-10 дней после электрической обработки, когда влажность семянок снизится до 11-13%, подсолнечник убирается прямым комбайнированием. При таком способе уборки подсолнечника отсутствуют недостатки применения механического обжатия стеблей и десикации, но сохраняются все положительные стороны метода двухфазной уборки. Кроме того, он имеет ряд дополнительных преимуществ: 1) семянки высыхают быстрее благодаря лучшим условиям сушки, чем в валках; 2) практически снимается опасность гибели урожая из-за неблагоприятных погодных условий, так как корзинки находятся не на земле в валках; 3) потери семян уменьшаются на 2...3% из-за отсутствия фазы подбора валков; 4) после уборки корзинок листостебельная масса остается зеленой и может быть убрана на силос. Такая обработка в период достижения растениями уборочной зрелости стимулирует быстрое дозревание и подсыхание на корню семян, что сдвигает уборку в более ранний и более благоприятный погодный период и существенно сокращает ее продолжительность, снижает трудоемкость и, главное, уменьшает потери продукции, улучшает ее качество и увеличивает общий экономический эффект производства. Дополнительные денежные затраты, связанные с применением электроискровой обработки, составляют 60—70 руб., а дополнительный выход семян — 100—120 ц и дополнительный ежегодный денежный доход от применения нового метода уборки — 600—700 руб. на каждые 100 га убираемой площади. Ускорение сушки сена и повышения его кормовых качеств При любой технологии возделывания растений одной из основных является заключительная операция — уборка. Именно от этой операции зависит судьба выращенного урожая семянок и листосгебельной массы, которая составляет до 0,75 органического вещества растений. До настоящего времени самыми слабыми звеньями остаются уборка и сушка вороха. Во всех районах страны основным способом уборки является прямое комбайнирование: комбайнами с приспособлением М. Е. Змиевского, зерноуборочными комбайнами СК-5 «Нива» с приспособлением ПСП-1,5М или ПШ-6, комбайнами «Дон-1500» с ПСП-10 или ПШ-8. Но этот способ обладает рядом недостатков: 1) потери урожая составляют до 20% из-за неравномерного созревания и высыхания семян по массиву; 2) вследствие повышенной влажности и засоренности семян доработка их на току требует больших затрат труда; 3) уборка происходит в период неустойчивой погоды. Исследования ученых и опыт специалистов показали, что эти недостатки устраняются при двухфазном методе уборки. Растение скашивается в валки, которые через несколько дней после подсыхания подбираются и обмолачиваются комбайном. По существу это механизированный вариант известного ручного срезания корзинок с последующим нанизыванием их на кососрезанный стебель для досушивания. Перед прямым комбайнированием двухфазная уборка имеет ряд преимуществ: 1) уборка начинается раньше обычного на 10...15 дней; 2) потери снижаются до 4...7%; 3) увеличиваются абсолютный вес семянок на 10... 11% и масличность на 0,5... 1,0%; 4) влажность семянок снижается на 10% и, следовательно, уменьшаются затраты на их подработку на току; 161 5) себестоимость 1 ц семянок снижается на 15%. Наряду с преимуществами этот способ имеет и недостатки: 1) удельный расход горючего на единицу площади возрастает в 1,5 раза, затраты труда увеличиваются более чем в 2 раза, и в целом прямые затраты возрастают в 2 раза; 2) при подборе валков возникают потери урожая от недобора корзинок и от некоторого вымолачивания семян самим подборщиком, которые в сумме составляют 2...3%; 3) при неблагоприятных погодных условиях резко возрастают потери при подборе валков, достигая 50%, а иногда и 100% урожая. Последнее обстоятельство является одним из основных препятствий внедрению двухфазной уборки в практику производства. Технология ускорения сушки кормовых культур и трав воздействием электрического разряда обстоятельно исследовалось в Волгоградском сельскохозяйственном институте на зернобобовых культурах и травах. При определении влияния электрического разряда на интенсивность сушки сравнивались процессы сушки обработанных и не обработанных разрядами образцов культур и трав. Каждая серия состояла из двух опытов — контрольного и экспериментального. Образцы травы для каждой серии брались с одного участка с одинаковой фазой вегетационного развития. В исследованиях применялся электроискровой разряд эффективным напряжением от 20 до 80 кв, с токами разряда от нескольких миллиампер до десятков ампер и мгновенной мощностью импульса от 0,050 до 18 кВт. Опыты показывают, что искусственная сушка (в бюксах) зеленой массы кукурузы, подвергавшейся электроискровому удару, идет гораздо интенсивнее, чем у контрольных растений. Через 1,5 часа сушки в сушильном шкафу при температуре 43—44° зеленая масса (весом 6 г) теряет в контрольной навеске 0,44 г, а в опытной — 0,75, или в 1,7 раза больше. Аналогично и при естественной сушке без использования бюкс. Контрольные растения кукурузы в фазе 4—5 листочков после скашивания высыхает в естественных условиях через 75 часов, а подвергавшиеся перед скашиванием электроискровому удару — через 18—20 часов, т. е. в 4 раза быстрее. Проведенные опыты с фасолью показали, что удаление 80% влаги достигалось у опытных растений через 36—39, а у контрольных — через 72—75 часов, т. е. сушка контрольных растений протекала в 2 раза медленнее. Химический анализ показал, что опытные растения фасоли имели легко и трудно гидролизуемых углеводов почти в 1,5 раза больше, чем контрольные (22,2% против 18,7%) при одинаковом количестве протеина. В зеленой массе кукурузы ВИР 42 углеводов и протеина содержалось соответственно в опытных растениях 29,7 и 25,0%, а в контрольных — 27,1 и 24,09%. Количество каротина было одинаковым. По приведенным данным зоотехнического анализа в сене, приготовленном электрообработкой, содержится больше питательных веществ по сравнению с приготовленным по обычной технологии. Каротина в мг/кг на сухое вещество содержится при обычной технологии 28,0, а при электрообработке — 48,8, соответственно переваримого протеина — 85,6 г/кг и 118,8 г/кг и к. ед. в кг корма — 0,45 против 0,58. В рамках настоящего проекта в технологическом плане планируется рассмотрение таких процессов, как: - ускорение сушки сена и повышения его кормовых качеств, получение в зеленом корме кристаллического белка, обладающего сильным бактерицидным действием, - уничтожение сорной растительности, - извлечения сока из плодового сырья и биологически активных компонентов из растительного сырья. Первое направление актуально для северных условий в связи с необходимостью укрепления местной кормовой базы для животноводства, два других направления могут представлять интерес в связи с развитием огородничества. Работы в конечном итоге направлены на повышение уровня жизни людей и, прежде всего, северян за счет 162 улучшения продуктов и культуры питания. Здоровое питание жителей Крайнего Севера определяется долей в рационе свежей диетической, биологически активной продукции, и что, крайне важно, выращенной непосредственно в данной географической зоне, в месте их проживания. А это значит, что на Севере должно быть производительное сельское хозяйство, а животноводство должно быть обеспечено местными кормами. Сделан аналитический обзор промышленных технологий заготовки, хранения и переработки растительных кормов в животноводстве с целью выявления возможных объектов использования ЭИ–БИО и обоснование задач по созданию электротехнологических комплексов. Производство и сохранение растительных кормов на севере в условиях неблагоприятных погодных условий представляет особую проблему. Проблема растительных кормов в Мурманской области стоит крайне остро. Местное производство пищевой сельскохозяйственной продукции составляет лишь 10-20% от необходимого (таблица 1). Обеспеченность грубыми кормами за счет собственного производства составляет порядка 13 % (таблица 2). Об уровне потерь кормов за счет неблагоприятных климатических условий можно судить по тому, что урожайность трав на сено в Мурманской области почти в 1,5 раза ниже, чем в средней полосе (таблица 3). Стало быть, для обеспечения здорового питания северян нужно многократно увеличивать поголовье скота и в десятки раз увеличивать производство растительных кормов на месте, например в южных районах области. Таблица 1 Местное производство пищевой с/х продукции в Мурманской области Продукция Картофель, тыс.т. Овощи, тыс.т. Скот и птица, тыс.т. Молоко, тыс. т. Яйцо, млн.шт. 2000-2003 гг. среднее 28,05 4,4 9,7 26,9 150,7 норма 120 145 87 404 300 Таблица 2 Заготовка грубых кормов в Мурманской области Показатели Урожайность однолетних трав на зеленую массу, ц/га Урожайность многолетних трав на зеленую массу, ц/га Урожайность однолетних трав на сено, ц/га Урожайность многолетних трав на сено, ц/га Заготовлено силоса, тыс. т сена, тыс. т Заготовлено кормов всех видов на 1 усл. гол. КРС, ц.к.е. Обеспеченность грубыми кормами за счет собственного производства, % 1900-2000 гг. среднее 136,6 103,8 27 21,7 77,2 8,2 13,3 Таблица 3 Урожайность трав на зеленую массу / на сено, ц/га Мурманская область (1990-2000) Средняя полоса (1996-1998) 120.2 / 24.3 221.2/32.5 163 Выполненный обзор традиционных технологий заготовки растительных кормов для животноводства показал, что использование электроимпульсного способа воздействия на биологические объекты с целью ускорения сушки может быть применено на разных видах кормов, с возможной вариацией места включения электроимпульсной обработки, самой операции технологии сушки. Применение ЭИ-БИО для кормовых трав в условиях Крайнего Севера, отличающихся крайне неблагоприятными погодными условиями, ожидается быть наиболее эффективным, обеспечивая как существенное снижение потерь кормовых трав из за возможного гниения в условиях ненастной погоды, так и улучшения их качества за счет повышения сохранности биологически активных веществ. Наше видение места использования ЭИ-БИО в технологии заготовки и хранении растительных кормов представлено на рис. 5. Рис. 5 Объект ЭИ-БИО в технологии заготовки и хранения растительных кормов Уборка кормовых трав, является двухфазной, предусматривающая скашивание и последующую сушку трав в валках, а уже затем скирдование или вывоз в пакетах на хранение. Применение электроимпульсных биовоздействий в этом случае может преследовать цель ускорения сушки во избежание гниения травы в валках в условиях ненастной погоды, так и под навесом при вывозе травы непосредственно сразу после скашивание. Сенаж и силос обрабатывается непосредственно при закладке в сенажные или силосные ямы. Наиболее приемлемым способом электроимпульсного воздействия на подлежащую обработке массу травы является воздействие на электропроводящей транспортерной ленте с расположенной над ней электродной конструкцией. Данная схема может быть представлена как показано на рис. 6. 164 Рис. 6 Схема установки ЭИ-БИО воздействия для сушки трав 1 - транспортер 2 – барабан на котором крепятся электроды 3 – электроды 4 – диэлектрический барьер 5 – загрузочный бункер Зеленая масса подается в загрузочный бункер по транспортерной ленте с определенной скоростью попадает под диэлектрический барьер, на котором закреплены электроды. В работе обоснован выбор электрические режима обработки, схемы и параметров генератора импульсов для проведения экспериментальных исследований процесса электроимпульсного биовоздействия. На основании имеющихся данных о режимах обработки растительных объектов в сходных подобных условиях энергетический режим воздействий определен следующим: воздействующие напряжение - U 0 − 20 кВ, энергия в импульсе - W0 − 50 Дж, энергоемкость воздействия составляет – 0,5 кВ/т, ω - удельные затраты биовоздействия (оптимальный режим биоповреждения) – 0,5 кВт ч/т. Эти данные взяты за основу для последующих расчетов технологических характеристик комплекса и расчета электротехнического блока. Проблема использования способа для уничтожение сорной растительности рассмотрена на примере разработки электрокультиватора для биопрополки сорных растений в дачном варианте. В соответствии с этим рассмотрено следующее: • обоснование электрических и энергетических характеристик электроимпульсной биопрополки; • анализ возможностей создания компактных элементов зарядной и генерирующей аппаратуры; • обоснование проекта макетной установки электроимпульсного биовоздействия на основе аккумуляторной установки; • обоснование параметров установки в дачном исполнении и расчет процесса прополки; Блочная схема установки для электрической обработки растений может быть представлена, как показано на рис.7. Рис. 7 Блочная схема установки для электрической обработки растений 165 Электрические параметры биовоздействия взяты из работ сельскохозяйственной академии /3/. Эти данные представлены в таблице 4. Волгоградской Таблица 4 Электрические параметры биовоздействия для уничтожения сорняков Характеристики, параметры Ёмкость разрядного контура Напряжение на ёмкости Индуктивность контура Энергия одного импульса Среднее число воздействующих импульсов на одно растение Средняя длительность воздействующего импульса Энергия, затрачиваемая на уничтожение одного среднего сорного растения Предельная степень повреждения тканей сорняков Необходимая частота следования импульсов при v= 4 км/ч Средняя длительность обработки одного сорного растения Засорённость паров Расход электроэнергии на один гектар (≈ 100000 сорняков) Мощность источника питания при ширине захвата 6,2 м Ед.измере ния нФ кВ мкГн Дж шт. Численные значения, при истреблении Осота Осота Вьюнка Молокана розового полевого полевого татарского 3,95 20 100…110 0,79 152 203 254 101 мкс Молочая лозного 1013 125 Дж 120 160 200 80 800 о.е. 10 12 4 10 6 Гц 338 451 564 374 1608 с 0,41 0,41 0,41 0,25 0,57 шт./м2 кВт·ч ≈7 3,3 ≈6 4,44 ≈7 5,6 ≈4 2,22 ≈8 22,2 кВт 2,36 2,92 3,94 1,95 12,11 Как следует из этих данных, процесс разрушения корневой системы растений осуществляется приложением импульсного напряжения 20…30 кВ, при энергии одиночных импульсов – от долей джоуля до первых единиц джоулей, затрачиваемая на уничтожение одного среднего сорного растения энергии от десятков Дж до 1-2 кДж. Принципиальная схема установки электроимпульсной биопрополки применительно к дачному варианту представлена на рис. 8. Особенность принципиальной компоновочной блок-схемы состоит в использовании исходного источника энергии аккумуляторной установки. Рис. 8 Принципиальная схема электроимпульсной установки в дачном варианте Схема включает: А- источник питания 12 В, в данном случае это аккумулятор, ППН - повышающий преобразователь напряжения с 12 В постоянного напряжения до 220 В переменного, ЗУ ВЧП - зарядное устройство на основе высокочастотного преобразователя напряжения, переводящее 220 В в 20 кВ и 166 ИВН - источник высокого напряжения В работе обоснован выбор электрические режима обработки, схемы и параметров генератора импульсов для проведения для экспериментальных исследований процесса электроимпульсной биопрополки сорных растений. На примере прикладной задачи проектирования установки для условий дачного участка обоснована схема и выполнены расчеты основных энергетических и технологических параметров установки, обоснован выбор электротехнического оборудования установки. Расчет электрических и технологических параметров удаления сорняков для установки дачного исполнения выполняется для условий, представленных на рисунке 6, где: b – ширина грядки а – контактная длина электрода Задача расчета поставлена так (рис. 9): Для грядки с шириной b и засоренностью 3 определить скорость движения U, обеспечивающую обработку стебля и контактную длину электрода с требуемой (оптимальной) энергоемкостью ω, при устанавливаемой мощности установки Р. Рис.9 Условия для расчета электрических и технологических параметров удаления сорняков для установки дачного исполнения. Связь энергетических и технологических параметров обработки определяется соотношениями: 2 ⋅W Емкость разрядного конура C = U2 P Частота следования импульсов f = W Количество импульсов на сорняк m = ω W т Время обработки одного сорняка t обр = f Затраты времени на ед. площади t уд = Зсор ⋅ t обр Скорость агрегата V = 1 b ⋅ t уд Контактная длина электродов а = V ⋅ t обр Для конкретных расчетов параметры электроимпульсного воздействия могут быть выбраны с учетом имеющихся экспериментальных данных, приведенных выше, а мощность Р задана по наличию источника энергии. Исходя из этих данных, могут быть рассчитаны электрические параметры: емкость, частота следования импульсов, число импульсов на 1 сорняк, время обработки 1 сорняка и технологические параметры в расчете на грядку с принятыми значениями ширины и засоренностью - скорость движения и контактная длина электродов. 167 Дальнейшим этапом работ, является создание макетных образцов установок и проведение экспериментальной проверки технологии и исследований для совершенствования электротехнического обеспечения технологии. Исходные данные для электротехнического обеспечения подобных процессов заложены в /4/, примеры создания малогабаритных высоковольтных установок отрабатываются на примере создания электроимпульсных дезинтеграторов /5-7/. В работе использованы материалы курсовых и дипломных работ студентов Кольского филиала Петрозаводского государственного университета Даньшова А.А., Маточкина Е.Н., Дрожжина А.В., Никитина Е.Б., Пестрякова К.В., Пилевцева В.В., ПоповаЕ.И. Отдельные экспериментальные данные по энергетическим характеристикам биовоздействия для уничтожения сорняков были предоставлены Юдаевым И.В. (Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия). Литература 1. Баев В.И., Бородин И.Ф. Электроимпульсная предуборочная обработка растений подсолнечника и табака; Монография/ Волгогр. С.-х. Акад. – Волгоград, 2002.- 232 с. 2. Юдаев И.В. Возможности использования электрической прополки. // Сб. научн. тр. ВСХИ. Применение энергосберегающих режимов и электротехнологий в с.х. производстве. – Волгоград, 1991. 3. Бренина, Т.П. Свойства и параметры сорных растений как объектов электрической прополки. / И.В.Юдаев, В.И.Баев, Т.П.Бренина, Д.С.Елисеев // Монография. – Волгоград: Станица-2, 2004. – 128 с. 4. Усов А.Ф., Семкин Б.В., Зиновьев Н.Т. Переходные (электрические) процессы в установках электроимпульсной технологии» - Л.:- Наука, 1987г., 179с.; изд. 2-ое, 2000 г., 160 с). 5. Усов А.Ф., Бородулин В.В. Перспективы развития электроимпульсных технологий на базе современного электротехнического оборудования. / Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых. Материалы 4-й Международная научная школа молодых ученых и специалистов. – М.: ИПКОН РАН, 2007. с. 146-149. 6. Компактный электроимпульсный дезинтегратор /Усов А.Ф., Цукерман В.А., Бородулин В.В., Приютов Ю.М. / VI Конгресса обогатителей стран СНГ, 28-30 марта 2007 г. Сборник материалов. том 1. – М.: Альтекс, 2007. С. 197-198. 7. Электроимпульсный дезинтегратор для научных и технологических исследований / А.Ф. Усов, В.А. Цукерман, В.В. Бородулин, Ю.М. Приютов / Международное совещание «Современные методы комплексной переработки руд и нетрадиционного сырья» (Плаксинские чтения – 2007), часть 1. – Апатиты: КНЦ РАН, 2007, с. 77-81. 168