автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Электроосмотическое водопонижение в почвах защищенного грунта для повышения их плодородия

с

чнкт—петербургский ордена трудового красного знамени государственный аграрный университет

На правах рукописи

БЙБКО Анатолий Николаевич

удк 831.544:621,3

ЭЛЕКТРООСМОТИЧЕСКОЕ Б0Д0П0НИ8ЕНИЕ В ПОЧВАХ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ПЛОДОРОДИЯ

»льность 05.20.02 - электрификация сельскохозяйственного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

С.Петербург - Пушкин 19Э2

Работа выполнена в Целиноградском сельскохозяйственном институте

Научный руководитель Научный консультант

I

Официальные оппоненты

- кандидат технических наук, доцент ЯКУБОВСЮЙ Д.Д.

- кандвдат технических наук, доцент ГЛУХОБ II.В.

- доктор технических наук, профессор ИЗАКОВ Ф.Я.

- кандидат технических наук, доцент КШОВ В. В.

Ведущая организация - Сибирский научно-иоследовате

ский институт механизации в электрификации с.х.

Защита состоится у^^СсС^ 1992 г. в ^ ч, на засе, нии специализированного совета Д.120.37.07 в С.Петербургском ордена Трудового Красного Знамени агроуниверситете по адресу2 189620, С.-Петербург - Пушкин, Академический проспект 23, ауд.'

С диссертацией полно ознакомиться в библиотеке С.Петербургского агроуниверсатета

Автореферат разослан

' « еХсу^в-сЛ' 1992 г<

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук

_ 3,-

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальнодть уемц. Надежное снаожение страны продовольствием и сырьем является важнейшей задачей аграрного сектора страны в современных условиях. Эта задача должна решаться на более высоком качественном уровне с применением новых методов и технологий.

Особое место отводится растениеводству, как одной из важнейших отраслей, позволяющей обеспечить снабжение населения свежими овощами круглый год, за счет использования индустриальных методов, на базе новкос технологий, при замкнутом цикле производства овощей в открытом и защищенном грунте.

Выращивание овощей в сооружениях защищенного грунта сопряжено о большими энергозатратами, в связи с чем особая роль отводится внедрении в практику научно обоснованных электротехнологических операций, как наиболее эффективных и экономичных приемов использование электрической энергии.

Несмотря на то, что овощеводство" защипе иного грунта в Казахстане еще находится в стадии становления, можно отметить общие отрицательные черты присущие другим регионам с развитым овощеводством. В первую очередь это достаточно быстрое снижение качества тепличных почвенных грунтов, что естественно сказывается на урожайности овощей.

Одной из причин снижения урожайности является заболачивание тепличных почвенных грунтов. Реиению этой проблемы посвящена настоящая работа.

В зоне Северного Казахстана получили распространение теплицы о электрообогревом почвы с помощью нагревателей из неизолированной катаной проволоки, укладываемой по плоско-параллельной схеме и включаемой на пониженное напряжение. Проведенные исследования позволяют сделать вывод о возможности расширения функционального использования денного устройства. Благодаря тому, что плоскоПараллельная система электродов позволяет включать их как группами, так и кавднй электрод в отдельности, можно проводить равномерное влегораспределение и водопонижение по всей площади теплицы за счет явления электроосмоса.

При этом исключается заболачивание почва, происходит промывка дренажной системы, в случае наличия качественной грунтовой водк не сложно осуществить подпочвеанкй полив. Цель работу. Теоретические и якспаришнталькие исследования по использованию явления электроосмоса и разработка устройства для электромелиорации тепличных почвенных грунтов.

Методы исследований. При решении поставленных задач использовались основные положения теории электрокинетических явлений, тео рии поля, методы моделирования и приведения пространственной задачи к плоской, формулы Максвелла с потенциальными коэффициен тами, математическое моделирование с применением ЗШ, методы определения существенных факторов математической модели а длани рование эксперимента, статистический анализ точности.

Цаучнад новизна ваботн. В результате теоретических и эксперщен тальных исследований предлоаены:

- методика расчета электрического поля, при элвктромелиорал почвы, для протяженных горизонтальных электродов;

- методика расчета злектроосмотпческого водопонгскения для горизонтальных электродов;

- математическая модель, позволяющая.моделировать пронесен электроосмотического водопонижения и нлагопереноса для различных; по составу тепличных почвенных грунтов с примен ЭВ.М;

- минимальные значения средней напряженности электрического поля и плотности тока;

- методика приведения пространственной задачи к. плоской для различных схем укладки электродов, при моделировании;

- установка электроосмотического водопонижения и влагоперен защищенная авторским свидетельством.

Ядацтичэская ценность работу На основе проведенных теоретичзс и экспериментальных исследований предложена методика расчета дл определения параметров устройства электроосмотического водопони кения и электрического поля для протяженных горизонтальных элек дов. Разработано, устройство электромелиорации почвы в сооружена защищенного грунта, дающее возможность увеличения срока использ вания почвы без снижения ее качества.

ра защиту вццорятся. Результаты ¡теоретических и экспериыентальн исследований со использованию явления электроосмоса для мвлиора: тепличных почвенных грунтов и методика расчетов;

- устройство для влектромелиорадии почвы в сооружениях защи ценного грунта.

реаддазди*! результатов доследований. Результаты исследований внедрены в экспериментальной теплице Целиноградского сельскохозяйственного института и тепличной комбинате Целинной железно:

>ги города Целинограда.

»бапия рабоуы. Основные положения и результаты работы докла-1лись на научно-практических конференциях Целиноградского СХИ 14,..1990 гг.), на практическом семинаре главных энергетиков шоградсного района, на научно-практической конференции Челя-!Кого Агроунивэрсятета в 196? году, на научной конференции 'Тербургского Агроуялверситета в 1992 году.

[Доаццц, По материалам диссертации опубликована шесть научных 'ей, получены четыре авторских свидетельства.

и даботц. Диссертационная работа состоит из введения.четырех

общих выводов, списка литературы в приложений. Fadoia содержат 140 страниц машинописного текста, 49 рисунков, adлиц, список литературы яз 123 наименований, 7 приложений 4 страницах.

СВДГОШБШ РАБОТЫ

Во введении произведено обоснование теми, дана общая характера работы, приведен« основана научные и практические резуль-, отражены основные положения работ», изложены вопросы выно-а на защиту.

В первой главе дан обзор и анализ состояния овощеводства за-нного грунта в Северном Казахстане, рассмотрены причины воззвания заболачивания тепличных почвенных грунтов, традицион-иеры борьбы с этим явлением. В результате анализа сделан вн-э необходимости проведения электромелиоративных мероприятий, пользованием явления электроосмоса, на базе устройства грообогрева почвы из неизолированной катаной проволоки, энной непосредственно в почве по шхоскопараллельной схема и змой пониченнш напряжением. Первые исследования по действию грического тока на почву были проведены в 1809 году профессо-1оскоБСКого университета Ф.Ф.Рейсом, когоркй установил "по-шую силу" электрического тока, обосновал япления электроос-и электрофореза. В 1896 году C.U.Краззков установил, что при ¡йствии постоянного тока на почву она превращается в крупно-ютую массу. В 1938 году Л.А.Батурин установил пареное еодн юда к катоду.

Опросами электромелЕорацкд почвч и осушения грунтов посея-работн Ржаницина Б.А., Федорова Е.С., Локизе Г.М., Кетузила I Зиангирова P.C., Мухимь A.A., Вапрзшю'Л A.-i, и др.

№ зарубежных исследователей необходимо отметить работы Казагранде, Баяли, цебертовича, Беллуаджа и др.

Все работы проводились для открытого грунта по рассолению солонцов а закреплению грунтов в строительстве.

В процессе анализа рассматривалось действие постоянного «ока, 4 переменного, импульсного, совместное действие постоянного тока и токов высокой частоты. В результате сделан вывод, что постоянный ток наиболее приемлем при электрсосмо«ическои водопонпжениа н вдагодареаосе.

В связи с тем, что до настоящего рремена электромелиорацня £ агропромышленной комплексе практически не иодользуетоя, а в сооружениях защищенного грунта в особенности, были поставлены и решены следующие задачи:

- проведение теоретических в экспериментальных исследований для определения рабочих параметров устройства электроые-лиорацаи;

- разработка математической модели, описывающей процессы влагопереноса в различных по составу тепличных Почвенных грунт,

- разработка методики и способов расчета;

разработка устройства электрошлиорацав для сооружений. эшгщвтого грунту, рекомендаций по его использованию;

- проведение лабораторной и хозяйственной проварка.

ргоьая глава посвящена теоретическому обоснованию электромвла-орации почвы в сооружениях защищенного грунта, рассмотрении основные положений и закономерностей адекгроосмотических процессов в почве,

Объяснения механизма электрокиветаческах явлений основываются на теории Гуи-ЧешЫа о дво&ноы электрическом слое, который возникает на границе двух фаз, и о диффузном ионном слое.

Основываясь' на нд&ментальноД теории и теоретических разработках, предложенных Г.М.Ломизе и А.В.НеНулилом, рассмотрен расчет основных параметров при электрсмелиорации в сооружениях защищенного грунте. При это« приняты ряд допущений и определены граничные условия.

Вывод уравнений для определения параметров электрического поля производим для проводящей Ь)м»яи {тепличный почвенный грунт), основываясь на формальной анологаи меаду электрическим полем в проводящей среде и электростатические полем в. диэлектрике. В силу потенциального характера электрического поля постоянных

- ? -

токов оно, как и электростатическое поле, удовлетворяет уравнение Лапласа.

или

(I)

Решение задачи проведено для плоско-параллельной системы электродов (минимум для трех) находящихся в почве. Катод располагается в центре и несколько нит.а анодов.

Искажением электрического подл из-за краевых э<ректов ножно пренебречь в связи с те«, что длина электродов значительно пре-вшеот расстояние медцу разноименными электродами. Длл определения параметров электрического поля использован метод зеркальных изображений и принцип суперпозиции, в частности можно определить потенциал в интересующей нас-точке г/ежэлектроддого пространства.

(Р

^{АЖий-АлЬМЛ-К*), (2)

гдо А^ и Ад - постоянные интегрирования, определяемые исходя из грашминх условий 'Р-У'а У-Ух.

Рио.1. Схема для расчета электрического поля при горизонтальном расположении электродов в почве.

Предлагаемые уравнения позволяют с достаточной для практики точностью получить необходимее результата, ко при рассмотрении процессов, происходящих в почва на модели, возникают значительные трудности связанные о том, что сложно привести круглые электрода о малым диаметром к реальному масштабу, а так же из-за появления больших погрешностей, обусловленных значительным!!

- в -

плотностями тока на электродах модели, Для упрощения решения, пространственную задачу приеодлм к плоской и заменяем систему круглых электродов сплошной плоской пластиной. Произведена замена одной.'о дно го и разноименных рядов круглых электродов плоской пластиной,

В результате произведенной замены расчеты упрощаются, так как при определенна проводимости меаду пластидами (В ) можно использовать не только формулы» но построенные на них. основа зависимости (рис.2).

Рассмотрены вопросы- расчета электроосмотического водопошш кия с использованием формул ыаксвелла, с погенциалышш, коэффициентами, которые позволяют установить зависимости мезду расходом воды через поверхность электродов и пьезометрическими напорами в различных; точках грунта. Определив расход воды, можно определить ток, мощность, напряжение медцу электродали.

: СР

120

60 АО

У

/

л У

А

4

/

/ ¿

/

•р

*

Проводимость

Где.. Вв -геометра ческая проводимость

О 40: 80. Г20 ¿id Рис.2, Бавислшсть геометрической проводимости ио oí отноиения длина электродного ряда к расстоянию мезду рядами é/A . При Ksiatóetpe электродов от 5 мм до 50 мм.

Потенциальный коэффициенты определяются либо с использованием предлагаемых (¿ор.!ул» либо по графикам соответствугатх зависимостей для четырех схем .расположения электродов. Да» схемы, при расположении анодов и катодов в одном ряду, с различ иьм чередованием. И две охемн с расположением анодов и катодов в равных радах.

Потенциальные коэс^-лциеитн для схемы 2 ркс.З приведены в гицв I.

Таблица I

Схема расположения электродов я $ормулы для расчета потенциальных коэффициентов водопонижелия

Расчетниэ Лормулн

Схема размещения электродов

!А

'/7

/ /а . ^цЬшЪьр.

27?

гя

г ^

г*' Уз'*/^)^ '

**

«о

>

•ч:

Л

[ри электроосмотическом ялагопереносе и водопонкдвн'.ш выбор ркения зависит от расстояния наяду электродами и рядами 3).

Спряжение прикладываемое к схеме определяется

(А)

К - коэффициент электрооснотической активности грунта, Ь*г напоры на поверхности анода и катода.

1Я о. е.

1.0

0,8 0,6

Шм

3,2- при расположении анодов и катодов в разных радах, при различном чередовании электродов (3-К-Л-К; 2-А-К-А.) 1,4- при расположении анодов и катодов в одном ряду (1-К-А-А-К; 4-К-А-К-А)

О С,8 Т,б. Рис.3. Зависимости ££ от расстояния Д между электродами

г*'

и расстояния Д между рядами.

Определив потенциальные коэффициенты и зная расход воды можно определить нашленьшее снижение депрессконной кривой в середине между электродами

я* а* 4

(Аа

Л

(5)

гда и»* и - потенциальные коэЭДициенти; О.'а и Их - расход воды на аноде и катоде;

- коэсК'цциеш' ¿[нльт радии почвы;

- наименьшее расстояние депрессионной криьой до поверхности.

Уровень снижения депрессяоннои кривой по отношению к первоначальному можно определить, используя напоры на аноде и катоде

<б)

где н - напоры на аноде и катоде.

Коэффициенты 11 определяются согласно следующих ¿¡ормул:

Дня определения коэффициентов и построены графики зависимостей от расстояния между электродами в ряду, а так же ст расстояния между рядами электродов, что существенно облегчает

- и -

расчет.

Предлояена магематич<-:с:--;2я модель электроосмотического влагопереноса в тепличном поч£^::'.ом грунте, проведено моделирование «одела на Эй'л, ввделены существенные гйкторы с использованием плана Плакетта-Бермана, произведена проверка адекватности модели.

Э урдтьей г^ард приведена методика исследований,определено 1исло повторностей опытов (объем выборки), произведены планирова-ше эксперимента и статистически!! анализ точности. Проведены расчеты точечных параметров электрического поля в почве меаду горизонтальными электродама и сравнение расчетных и экспериментальных данных.

В результате проведенного анализа сделано заключение о при-юнимости предлагаемой методики расчета. 1!аксимальнне отклонения нечетных ц экспериментальных данных не более 18 процентов.

Таким образом, если известны геометрические размеры устрой-гва электромвлиорация почвы и электрофизические свойства почвы ожно с достаточней точностью, определить все необходимые пара-егры для проведения электромелиоратнвных мероприятии.

оксперш,'енталыше исследования проводились на лабораторной сганопке в два этапа. Ыа первом этапа вменялось взаимодействие аэличных факторов, определялся коэйХГицпент электроосмоса, вменялось действие постоянного тока на почву, определялись пре- , эльнке значения плотности тока и напряженности алектричвекого эля, определялся выход ¿ильтрата и т.д.

На втором этапе исследовались более слоаныо процессы, при сои применялась лабораторная модель теплици.

Б результате исследовании выяснялось влияние различных типов 1ектродов, их количество и схемы включения на процессы элактро-узиорйцлк Выяснялась возможность перемещения влаги в ворти-шьной и горизонтальной плоскостях и другие поставленные >просы.

При проведении экспериментов осуществлялся контроль за падением, током, мощностью, температурой, влажностью почвы воздуха, выходом фильтрата. Лабораторные исследования проколись согласно существующих иетодше, в частности планирования .споримента.

Графические зависимости выхода фильтрата от плотности тока времени действия приведены на рис.4.

Зависимости еж од а фильтрата от плотности тока и потребля-ой мощности приведены на рис.5.

на

') з г

т

<Ь. а!*1

3.0 г.5 . 2,0 Г.5 1.0 0,5

Выход фильтра ори плотности тока:

1 - У =0,05 мА/см2

2 - ^ =0,1 ыА/см2

3 - ^ =0,25 мА/см2 Выход фильтрата аз контрольных образцов -

1а; 2а; За.

О 2 Н 6

Рис.4. Зависят/ости выхода фильтрата от плотности тока и времени

И

У

А

?, К&т

и

0,9

о

тсо

2С0

хс

Рис.5, Зависимость вкхода фильтрата от плотности тока и потребляемой мощности.

Следующим «этапом экспериментальных исследований было проведение опытов на реальной установке, схема устройства приведена на рис.6.

Предлагаемая схема позволяет производить перемещение влаги по горизонтали, удалять избыточную влагупроводить промывку дре-натео;!; системы и другие электромвлиоративные мероприятия, при соответствующей схеме включения электродов.

В результате проведенные экспериментальных исследований под-

И) Ий щщга! в

4

А

;цм| мм м§ю§йгив1§№

л

л

Рио, & (йема усгройотва элекгромелиорации почвы в теплиц»«

I- питающая линия; 2- обогревочн^ трансформатор» а-шлаитав имяы; 4- автоматические выкячагели$5- пер включатели^ тиристоров внпряг мигельйое уотройояво; 7-элекгрода; 8- гредОхранителя) Э-дредажный-электрод» 12- приемный колодец? ГЗ-овврдной пров{йяикЦ4-шйель переключения»

твердились теоретические предпосылки, что наиболее пряе.улзмыми значениями плотности тора следует считать 0,1,..0,3 мА/см2, да электродов диаметром 6 ш - 0,19...О,20 мА/см. Напряженность электрического поля 0,25.,.0,4 В/см,

В данной главе рассмотрены вопросы монтажа, питания, вопро i электробезопасности и организационно-технические мероприятия.

В четвертой Глагэ определена экономическая эффективность устройства для алектромелиорации почвы в сооружениях зацишенноз грунта.

Зкоиомическая эффективность определена путем сравнения дву: вариантов и сроков окупаемости дополнительных капитальных влож< ний.

В результате сравнения приведенных затрат годовая зкономич( кал эффективность составляет 1600 руб. на одну теплину плошады 1000 м2 (в ценах 1991 г.), срок окупаемости дополнительных капвложений составляет 0,32 года.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В результата проведенных теоретических и эксперименталы исследований доказана возможность проведения электромелиорации лочвн в сооружениях защищенного грунта постоянны'.» электрически; током с использованием протяженных горизонтальных электродов и: стальной неизолированной катаной проволоки системы электроойог] ва почвы,

2. На основе теоретических исследований и экспериментально! проверки предложена методика расчета электрического поля(при aj ктромелиорацки) для протяженных горизонтальных электродов.Иредлг гаемая методика позволяет определить потенциал, напряженность электрического поля и плотность тока практически в любой точке межэлектродкого пространства.

Расхождение теоретических и экспериментальных данйых не превышает 16 %.

3. Предложена методика расчета и выведены формулы:.— потенциальных коэффициентов электроосмотического водопонгасеяия, для протяженных горгаонтальнкх электродов при различных схемах вютс чения, достроены зависимости потенциальных коэффициентов от рас стояния мазду алектродамв, что позволяет упростить расчеты без значительного снижения точности.

4. Разработанная математическая модель позволяет моделпро

- Iö -

цессы электроосмотичонпого вода понижения и влагояервносз для дачных по составу хючл.з:;ьых грунтов, упрощает выйор парамет-схемы электромвлиорян.,.; о применением

5. Проведеянка лвбориторчыо и производственные исследования, [¡пользованием методов планирована эксперимента, позволили вдали» оптимальные параметры процесса электромелиоряцщн

- нвпряненность электрического поля - 0,35 В/см:

- плотность тока - 0,2 мА/см.

6. Разработана и испытана производственная установка электроэтического влагопереноса и водопонихения, защищенная автор-'

я свидетельством, позволяющая равномерно распределять влагу всбй площади теплицы, удалять избыточную влагу, производить эпонижение. Это дает возможность увеличить срок эксплуатации вы без снижения урожайности, предотвратить заболачивание почвы.

Годовой экономический эффект от использования устройства нтроосмотического влагопереноса и водояонилекия составляет 3 руб. на одну теплицу площадью IOGO ценах 1991 г»), к окупаемости дополнительных капвложений составляет 0,32 года.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах.

1. Бабко A.Ii., Герасимов Д., дигульскай 3, Элактромелиорация вы в сооружениях защищенного грунта, /ДруДы Целиноградского

, ®,70, Целиноград, I9Ö6, с. 54-57,

2. Бабко А.П., Гетцежь В.В., Левацкий А.Г. Трехфазный выпрями-ь с регулируемы.) выходным напряжением. //Научнш Труды. Повы-ие надежности электроснабжения и электроустановок в сельском яйстве. Челябинск, ЧШЗСХ, 1965, с, 60. .»83.

3. Якубовский Д.Д., Бабко А.Н. Применение электрического тока . электрорассоления и раэболачпвания почвы в теплицах» //Груды

иноградского СХМ, т. 62", Целиноград> 1985, с. 53.«,56,

4. Якубовский Д,Д., Саватеев ¡1,11.» БабкЬ А.Н. Совершенство-" ие схем управления электрообогревом, //Груды Целиноградского

:, т.35, Целиноград, 1961, с. 49»,.53.

5. Саватеев й,И., Ъабко А.Н, Исследование характеристик обо-вочного траноформатора в сооружениях защищенного грунта. // ды Целиноградского СХЛ, т.44, Целиноград, I9B2, с, 46.,.50.

6. Бабко Л.И., Аяибаева Г.М,, Atadaes В.Г. Исследование мате-ической модели влагопереноса и электроосмотического водопо-ения для тепличных почво-грунтов, /А руд и Целиноградского СХИ, шоград, 1988, с. 15...2Ü.

h, Саватеев Н.И,, Зубовский Д.Д., Братель Б.И., ьабго А.Н., Хмаленко В.З., Диль А.Л. Электродный стерилизатор почвы. A.C. СССР HZ20575, Опубл. в Б,И. 30.03.B6., JS 12.

U. Саватеев H.U., Якубовский Д.Д., Левицкий А.Г., Бабко А.Н. Устройство для обработки почвы электрическим током. - A.C. СССР H30Ö2I3. Опубл. в Б.И. №.05.0?., Я 17.

9. Саватеев Н.й., Якубовский Д.Д., Бабко А.Н., Братель Б.И., Диль АД., Свдристов Ki.il,, Устройство дли обогрева почвы в тепли це. - A.C. СССР J.-7I37334I. Опубл. в Б.Ч. I5.02.b8., Г 6,

10. Саватеев Н.И., Бабко A.I1. Устройство для элэктромэлторац почвы в сооружениях защищенного грунта. - A.C. СССР KI6Ü6960. Опубл. в Б.lt. 23.02.91., F?.

Отпечатано в копировально-множительном цехе ЦСХИ

Подписано к печати

1992 г.

йаказ тираж 100 экземпляров, Н.л.1.

473040, Целиноград, Проспект Победи 116.