автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Обработка семян электромагнитным полем

ШШСТКРСТВО СКШЖОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФИДЕРЛЦШ ГЛАВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ВЫСШИХ УЧЕШЫХ ЗАВЕДЕНИЙ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОИНКЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени В.П.Горкчкина

На правах рукописи

рГ5 011 ■

п ОН7 'пол

ВЕНДИН СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ •

ОБРАБОТКА СЕМЯН ЭМТРСМЯНИТНЬМ ПОЛЕМ

Специальность 05.20.02 - электрификация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

, Москва -1994

• Работа выполнена на кафедре автоматизации сельскохозяйственного производства Московского Государственного Агроинженер-кого'Университета имени В.П.Горячкина.

Научный консультант - академик РАСХН, доктор технических наук, ' • . профессор БОРОД1Н И.Ф.

Официальные оппоненты- доктор технических наук,

профессор Рудобаита С.П.

•■.'.,. • - доктор технических наук,

профессор Рекус Г.Г.

- доктор технических наук,' профессор Гарбуз В.М.

Ведущее предприятие - ВИЭСХ

Защита состоится " " _ 1994 г. в " "ча-

сов на заседании специализированного совета Д.120.12.01 Московского Государственного Агроинженерного Университета имени В.П.Го- . рячкинц.по адресу: 127550, Москиа, ул.Тимирязевская д.58.

• С диссертацией мокко ознакомиться в библиотека МГАУ.

Отзывы на автореферат (в 2-х экземплярах), заверешше гербовой печатью, просим направлять ученому секретари специализированного совета по адресу: 127550, Москва И-550, Тимирязевская ул. ' д.58, '¡ЛГАУ,. Учений совет.

Учений секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

профессор В.И.Загинайлов

ОЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Эффективность производства продукция 1астениеводства во многом определяется наличием высококачествея-;ого посевного материала и сохранностью продукции в процессе :ранения и переработки, В силу ряда объективных обстоятельств, ■аких как наличие естественных вредителей и болезней растений, ;остояние физиологического покоя семян и т.д. производитель вынужден проводить всевозможные технологические операции дезинсёк-;ии, дезинфекции и предпосевной стимуляции семян. Ситуация тако- • ¡а, что в среднем потери зерна только из-за насекомых вредителей ¡оставляют от 5 до 10%, а потери бобовых достигают 14-64$. Влия-[ие болезней растений и вредных микроорганизмов приводит к поте-)е 15-20% продукции, а иногда и к полному уничтожению урожая, [олноценные и здорошо семена, находящиеся в состоянии физиологи-[еского покоя, могут иметь на момент посева всхожесть в 1,5-2 ра-1а ниже потенциальной, что естественно ведет к потере урожая и ¡ознательному завышению нормы высова семян. Существующие методы I технологические приемы дезинсекции, дезинфекции и предпосевной ¡тимуляции семян, основанные на применении высокотоксичных хими-геских препаратов и использовании гидротермической обработки, ¡вязшш с большими затратами труда и низкой технологичностью процесса обработки семян. Кроме того, прямым следствием от примене-гия ядохимикатов является загрязнение окружающей среды и наруше-ше экологического равновесия в природе. Поэтому научные исследо-$ания, направленные на разработку эффективных, экологически безо-гасиых и высокопроизводительных методов повышения посевных качеств ;емян, актуалыш и имеют ваяное народнохозяйственное значение. )дним из наиболее перспективных направлений исследований является юпользование электрофизических методов и, в частности, методов, юпользующих энергию электромагнитных полей сверхвысокой частоты, >азработке которых и посвящена диссертация.

Исследования автора в указанном направлении проводились по соординационному плану НИР МИИСПа (МГАУ) в соответствии с планами гаучно-технической Проблемы 0.51.21 ШНТ СССР на 1986-1990 гг. 'Разработать новые методы я технические средства электрификации ;ельского хозяйства"; Постановлением ШНТ СССР й552 от 11.04.Яг. гроект }."Э6 "Разработка экологически чистых способов снижения потерь сельскохозяйственной продукции с использованием СВЧ энергии";

Решением научного' совета государственной нау1ио-технической программы России "Перспективные процессы производства сельскохозяйственной продукции" от 29.01.93г.

Цель работа. Разработка теоретических основ, методов и технических средств, обеспечивающих получение высококачественного посевного материала за счет термической обработки семян в электромагнитном поле СЕЧ.

Задачи исследования.

- Разработать теорию и математические метода анализа процессов термической обработки семян в электромагнитном поле СВЧ вюш-чающие исследование' напряженности электромагнитного поля в семени и исследование СВЧ нагрева семян при дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции;

- Разработать математические модели исследования электроди-намических.и термических особенностей дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции семян электромагнитным полем СВЧ;

- Разработать методы расчета основных технологических и конструктивных параметров СВЧ оборудования при термической обработке бемян в электромагнитном поле СВЧ;

-^Провести теоретическое и экспериментальное обоснование те» нологических требований к процессам дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции семян при термической обработке в олектро магнитном поле СВЧ;

- Провести анализ технологических особенностей процессов СВЧ обработки семян, разработать технологические приемы, способы и технические средства;;

-'Провести комплексный анализ технико-экономической эффектив ности применения электромагнитных полей СВЧ в процессах термической обработки семян.

Ь'отодн исследования. Решение поставленных задач осуществлялось на основе комплексного научного подхода с использованием тео ретических методов электродинамики, теории теплопроводности, теории планирования эксперт,тента, математической статистики, регрессионного анализа, измерительной и вычислительной техники.

Научная новизна исследований. На основе общих физических принципов термообработки диэлектрических материалов в переменном электромагнитном поле:

разработаны теория и метода исследования процессов термической обработки (дезинсекции, дезинфекции, предпосевной стимуляции) семян в электромагнитном полз СВЧ;

- получош математические модели процесса термической обра-^тки семян в электромагнитном поле СВЧ, устанавливающие взашо-¡вязь между основныгли физическими параметрами ЕШ1, физическими и ¡иологическими параметрами семян и окружающей среды, позволяющие выявлять способы и приоми совершенствования существующих и разра-¡отки более эффективных технологических приемов и технических :редств термической дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стиму-мции семян в электромагнитном поле СВЧ;

- разработаны методы расчета основных технологических'и ' сонструктивных параметров СВЧ оборудования, позволяющие определять южимные параметры термической СВЧ обработки семян при недостатке ¡сходных данных, рассчитывать технологические параметры при СВЧ

>б раб от ко объема сешн в объемном резонаторе или в радиогзрметич-юй камере под излучателем, рассчитывать технологические параметры ери СВЧ обработке семян-в слое на конвейерной ленте под излучате-[ем, рассчитывать основные технологические и конструктивные пара-ютры при СВЧ обработке потока семян в камере взаимодействия резо-гаторного типа;

- проведены теоретические и экспериментальные исследования [рименимости интегрального температурно-временного воздействия для ' >ценки эффективности термической СВЧ обработки семян, предложены ггоматическая форма представления интеграла летальности как веро-:тности "отказа биологического объекта" и функции интенсивности п-казов семян и вредителей при термической обработке в электромаг-итном поле СВЧ, определены коэффициенты биорезистентности семян и :асекомых вредителей;

- определены агротехнологические требования к процессам тер-ической обработки сешн в электромагнитном поле СВЧ, рекомендуе-ые технологические режимы СВЧ дезинсекции, дезинфекции и предпо-евной обработки зерновых и бобовых культур;

- разработаны технологические приемы, способы и технические редства обработки семян в электромагнитном поле СВЧ, новизна и олезность которых подтверждены авторскими свидетельствами на зобретения.

Достоверность результатов подтверждается положительными зак-ючениями научно-исследовательских институтов (ВИР, ВНШССОК и др.) слученными при экспериментальной проверке рекомендуемых техноло-ических'режимов СВЧ обработки семян.

Практическая ценность дисссртадии - в разработке научных ос-ов, позволяющих проектировать эффективные устройства термической

СВЧ обработки семян с учетом технологических особенностей, требований и режимных параметров, что сущоствошю спижаот затраты на ю разработку и практическое внедрение технологий;

-в обосновании технологических требований и в разработке технологических режимов, обеспечивающих снижение затрат труда в 35 раз и получение дополнительной продукции в пределах 10-20$;

- в разработке технологических приемов, способов и конструктивных технических решений, обеспечивающих охрану окружающей сред:

- в- определении комплекса необходимых условий эффективности применения СВЧ установок для термической обработки семян.

Сведения о практическом использовании научных результатов.

Разработанные технологии СВЧ обработки семян апробированы в НПО "Грибовское" Московской области, с-зе "Куликовский" Дмитрове» го района Московской области, с-зе "Скуратовский" Чернского район; Тульской области, к-зе им.Ленина Зсрноградского района Ростовской области. Технологические рекомендации и конструктивные разработки в качестве исходных требований переданы с специализированные коне рукторекке организации МОКБ "Горизонт"(г.Москва) и НПО "Импульс" (г.Москва). Совместно с ОКБ "Горизонт"(г.Москва) разработан специ лизированный.СВЧ комплекс для обработки сельскохозяйственной продукции ! "Arpo" производительностью до 1,2 т/ч при дезинсекции семя: Решением научного совета государственной научно-технической программы России "Перспективные процессы производства сельскохозяйственной |продукции" от 29.01.1993 г. результаты исследований принят к использованию в Проекте "Зерновой комплекс- 2000".

На защиту выносятся'

I; Теория и математические методы исследования напряженности электромагнитного поля в семени при СВЧ обработке, включавшие: теоретическое решение задачи взаимодействия электромагнитной волн с многослойными диэлектрическими объектами сферической формы; математическую модель исследования напряженности 3МП в семенах при СВЧ дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции; результат численного эксперимента для процессов дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции.

2. Теория и математические методы исследования процессов GS1. нагрева, включающие: теоретическое решение общей краевой задачи уравнения теплопроводности для одномерных многослойных объектов при неоднородных граничных- условиях третьего рода; теоретическое решение задачи СВЧ нагрева одномерных многослойных объектов при стационарных неоднородных граничных условиях третьего рода и при

независимости интенсивности поглощения СВЧ энергии в объекте от времени; теоретическое решение задачи СВЧ нагрева одномерных многослойных объектов при стационарных неоднородных граничных условиях третьего рода и при периодическом во времени поглощении СВЧ энергии (импульсный СВЧ нагрев); математическую модель исследования СВЧ нагрева семян при дезинсекции, дезинфекции и предпосевной зтимуляции; результаты численного эксперимента СВЧ нагрева для процессов дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции.

3. Методы расчета основных технологических и конструктивных параметров СВЧ оборудования при термической СВЧ обработке селян.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований применимости интегрального температурно-временного воздействия для зценки эффективности термической СВЧ обработки семян, математическая форма представления интеграла летальности как вероятности "отказа биологического объекта", функции интенсивности отказов семян

i вредителей при термической обработке в электромагнитном поле СВЧ, коэффициенты термической биорезистентности семян и насекомых вре-зителей.,

5. Агротехнологические требования к процессам термической обработки семян в электромагнитном поле СВЧ, рекомендуемые технологические режимы термической СВЧ дезинсекции, дезинфекции и предпо-зевной стимуляции семян зерновых и бобовых культур.

6. Результаты исследований по разработке технологических прл-змов, способов и технических средств термической обработки семян в электромагнитном поле СВЧ.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследова-шй доложены и обсуждены на ежегодных научных конференциях профес-:орско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов ЗШСП (1ЛГАУ) им .В ,П. Горячкина (г.Москва, 1987-1993 гг.); Всесоюз-:ой научно-практической конференции "Действие СВЧ-излучений на бко-югические компоненты агроценозов и их применение в АПК"(г.Москва, :S89 г.); Я Всесоюзной научно-технической конференции "Электрофи-шческие методы обработки пищевых продуктов и сельскохозяйственною сырья" (г.1 Лосква, 1989 г.); У1 Всесоюзной научно—практической сонференцин "Применение СВЧ энергии в технологических процессах и [аучных исследованиях" (г.Саратов, 1991 г.); Всесоюзном научно-гр ои з в о дс т ве нн ом семинаре молодых ученых и специалистов "Новые щей в растениеводстве и пути их реализации" (г.Воронеж, 1991 г.); [аучко-технической конференции ВНИПТИМЭСХ по итогам исследований

1900 г.(г.Уерноград, 1991 г.); Всесоюзной конфорошщи "Иримоношю СЪЧ излучоиий в биологии и сельском хозяйство" (г.Кишшюв,' 1901 г Научной конференции научных работников и аспирантов АЧИМСХ (г.Зер ноград, I991-1992 гг.); Научно-практической конференции "Научно-технический, прогресс в инженерно-технической сфере АПК России" (г.Москва, 1992 г.); Всероссийском научно-техническом семинаре "Высокоэффективные электротехнологии по производству продукции сельского хозяйства их'переработке и хранению" {г.Москва, 1993 г. Научно-практической конференции "Научно-технический прогресс в ин кенерной сфере АПК России" (г.Москва, 1993 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 52 опубликованных работах, в том числе в семи описаниях к авторским свидетельствам на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введем секи глаз, общих зыводоз, списка литературы и приложений. Основнс содержание диссертации изложено на 360 стр. машинописного тексте включает 74 рис.','36 таблиц, 7 приложений и список литератур! из 313 наименований, в том числе 26 на иностранных языках.

I

j .' СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

!

В первой .главе обоснована необходимость совершенствования и; вестных и разработки принципиально новых технологий, методов и т< кическпх средств дая повышения качества семян с.-х. культур. Покг ■ зана особая актуальность и важность решения проблем дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции семян. Исходя из того, что существующие технологические приемы и методы обработки семян не ] полной мере' отвечают требованиям современного сельского хозяйств; обоснована необходимость разработки технологий дезинсекции, дезш фекции и предпосевной стимуляции семян с использованием энергии электромагнитных полей» .

Существенный вклад в развитие науки по применению электроэн< гии в сельскохозяйственном производстве был сделан исследованиям] М.Г.Езреинова, Г.К.Назарова, И.А.Будзко, И.Ф.Бородина, Л.Г.Прищепа, К.И.Мартыненко, А.М.Басова, Ф.Я.Изакова, И.Ф.Кудрявцева, А.Ы 1.'усина,: Г.Г.Рекуса, Д.С.Стребкова, М.С.Левина, В.А.Воробьева, В.' Сергованцева, В.И.Тарушкина, В.Н.Шмигеля, В.М.Гарбуза и др.

Особо следует выделить исследования связанные с использован ем энергии электромагнитных полей радиочастотного диапазона (ВЧ,

:ВЧ) проводимые учеными МГАУ (Г.1ИИСП), Челябинским ГАУ (ЧШЭСХ), фасноярского ГЛУ, 1!ИХХ, ВШ'ШТШЭСХ и-др. и, в частности, работы ^следователей И.Ф.Бородин, Л.Г.Прищеп, Ф.Я.Иэаков, Г.А.Шарков, 1.В.Цугленок, В.И.Шустов, В.И.Пахомов, С.А.Андреев, С.Г.Кузнецов, З.В.Олоничев, Г.В.Новикова, А.Д.Горин, Б.Н.Полевик, А.А.Бабенко I др.

Аналитическое обобщение научных исследований по использованию злектромагшшшх полей радиочастотного диапазона для повышения ка-îecTBa семян сельскохозяйственных, культур (дезшсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции) показало, что, в основном, они отражают результаты экспериментальных исследований, что, несмотря на зысокую эффективность и многолетнюю апробацшэ новых методов в про-язводственных условиях, на настоящее время практически нет теope- ' гических разработок, позволяющих качественно и количественно про- • анализировать процессы термической обработки семян переменными электромагнитными полями с учетом параметров электромагнитного пота, физических и биологических параметров семян и условий окрука-ощой среды. В связи с этим нет достаточной ясности в вопросах выбора наиболее эффективных значений параметров ЭМП, различные мнения по данным вопросам носят хаотичный, а иногда и противоречивый ха- . рактер, гипотезы, основанные исключительно на избирательном тепловом действии поременных электромагнитных полей, подчас не находят экспериментального подтверждения, что, в конечном счете, сдержива-зт совершенствование существующих и создание новых экологически чистых технологий, мотодов и технических сродств повшгашш качества семян сельскохозяйственных культур посредством их обработки в электромагнитных полях радиочастотного диапазона (ВЧ,СВЧ).

Указанные пробелы в комплексе научных исследований по приме-" нешш КШ для повышения качества семян, а та rate заинтерессован-ность предприятий оборонного комплекса в разработке технических средств для реализации технологий на основе использования энергии электромагнитных полой СВ'1 побудили автора для написания данной диссертации, где полученные соискателем научные результаты изложены на основе единого комплексного подхода, включающего: разработку теории и математических методоз исследования; теоретический анализ и экспериментальные исследования; оценку существующих и разработку новых технических средств; анализ технико-экономической эффективности и обоснованности применения СВЧ энергии для процессов • дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции семян.

• Во второй главе рассмотрены теория и математические метода исследования напряженности электромагнитного поля в семени при СВЧ дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции.

Как показал анализ состояния вопроса, эффективность СВЧ обработки семян в процессах дезинсекциии дезинфекции зависит от пара-мэтров электромагнитного поля, причем различные мнения имеют неоднозначный, а иногда и противоречивый характер. Поэтому разработка технологий СВЧ обработки семян требует исследование напряженности электромагнитного поля в семени с учетом специфических особенностей каждого процесса. В общем случае, процессы дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции предусматривают СВЧ обработку объема или слоя семян. Однако эффективность обработки семенной иассы. будет определяться эффективностью обработки каждого семени в отдельности. Следовательно целесообразно рассмотреть процессы происходящие при СВЧ воздействии на единичном семени, полагая, что семенная масса является совокупностью отдельных семян. К если обеспечить равные условия СВЧ воздействия по всему объему семенной массы,,то результаты полученные при исследовании процесса на единичном .семени вполне могут быть применимы для всего объема обрабатываемых семян.

В силу того, что размеры объекта исследований (семян, насекомых) каш, проведение непосредственных измерений параметров электромагнитного поля в нем весьма затруднительно. В связи с этим возникла необходимость в качественной и количественной оценке напряженности электрического поля в семени на основе физичоской модели с использованием теории и математических методов электродинамики.

У

Мд, - падающая и отра-

женная £МВ во внешней среде % ~ пад310®23 31 отра-

женная ЭМВ в семени; М4 - ЭДВ во вредителе

Рис. I. К исследованию напряженности электромагнитного поля в семени.

Ифьоктишосгь тоории и матоматичоских моделей в практическом рилолсонии во многом онродоляотся корроктпостью предлагаемой фЦЗН-еской модели и, следовательно, физическая модель процесса должна тралать основную суть исследуемой технологии. Тогда для процессов ВЧ дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции, при иссле-;овашш напряженности электромагнитного поля, семя целесообразно ассматривать как объект состоящий из внутренней сферы и внешнего ферического слоя с физическими параметрами, характерными для иэлектриков с потерями. Такая постановка является наиболее общей решение для кавдого из процессов мо:кет быть представлено как астный случай общего решения задачи взаимодействия электромагнит-ой волны с двуслойным диэлектрическим объектам, математическая остановка, которой, показана на рис.1.

Математические модели исследования напряженности электромаг-итного поля в семени при СВЧ дезинсекции, дезинфекции и предпо-евной стимуляции были получены на основе решения', задачи взакмо-ействия плоской, линейнополяризованной монохроматической электро-агнитной волны с многослойными диэлектрическими объектами сферн-еской формы, математическая постановка, которой, предусматривала ешение основных уранений Максвелла для изотропной среды при редней объемной плотности электрического заряда равной нули:

дииВ =О, д1\)Н = 0,

(I)

оторые с учетом уравнений связи:

(2)

одстаковкой

риводятся к виду:

(3)

. ю

Рис. 2. К расчету напряженности электромагнитного поля в многослойном диэлектрическом объекте сферической формы.

Мд, Г,^' - падающая ЗМВ; - отраженная ЭМВ; ] = 1,2,..т .

Согласно расчетной схемы задачи, приведенной на рис.2, нал-

• •

ряженности электрического Е и магнитного Н полей в каждом слое находятся из соотношений:

дг(г\/)

Ее-

и У дгде

_ ¿к д(г$)

Р '

ргЫлО дгд? '

(4)

г дв

где функции Т\/ определяются выражениями вида

оо ,

г\/о = ЕИ Вп.о % (коГ)Рп (ш6)йп *»,

• оо

Г Щч = С Вп^ч (к]Г)Рь (Ш0)31П »»,

Л 3 /

где

K(H-Wj»iH iMWtiH

(2)

Pn(cosQ) t J„^(kt) , /уЦ (Ь) - соответственно присоединенные функции Лежандра, Бесселевы функции первого рода, Цилиндрические функции Ганкеля второго рода.

Определение коэффициентов Bntp (Р=1,2,...2я? ) сводится к решению системы алгебраических уравнений вида '

лв = с. (6)

где М = 5"] - квадратная матрица ранга 2 /71 , ненулевые элементы, которой аР>е строго определяются в соответствии с таблицей I. Элементы OLpts не определенные таблицей I равны нулю;

IB ~ {&»,/>}- вектор столбец размера 2 /77 xl, элементами, которого являются искомые коэффициенты Bnfp ;

(£ = {О3} ~ Еект°Р столбец размера 2т XI, Ср=0 при Р=3,...2/77 ,

С, =-коЪпЖ tfoH сг

Общая напряженность ЗГШ в каждом слое определяется как сумма падающих и отраженных волн.

Численный эксперимент, проведенный на основе полученного решения с учетом конкретных электрофизических параметров в диапазоне 1-9 ГШ, показал, что, в общем случае, напряженность электрического поля в семени зависит как от лине^ой координаты "Г ", так и от угловых координат "О " и " V7 ". Было установлено, что влажность семян, размеры вредителя и частота ЭШ существенно влияют ка характер распределения напряженности электрического поля, как в семени так и во вредителе. Наличие внутри семени вредителя приводит к сильной неравномерности напряженности ЭМП в объекте, причем в оболочке (семени) напряженность электрического поля по сравнению с вредителем выше почти в 2 раза. С увеличением размеров вредителя неравномерность напряженности 31Л1 возрастает, при этом'возрастает доля отраженной (рассеянной в окружающее пространство) энергии и уменьшается напряженность поля во вредителе.Повышение влажности семян снижает неравномерность напряженности ЗШ в семени и вредителе и, в тоже время, приводит к увеличению доли отраженной энергии.

Таблица I,

Формулы для определения значений элементов ^р^ квадратной матрицы А ранга 2/77 (Р - номер строки, £ - номер столбца).

Гх. 5 !> X . Р - 2 ■ ■. р-'ь ' • ' -. •• . р ■ ... ..—_ , ■.----- ! Р +' I | Р + 2 ! 1

! 1 ! | Р = 2] - I ! 0 ьмш ■"" 1 \WijRj) 1

'¿Р и ШМ ! | 0 I

! ! ,/ = 1,2,...т ; Р, £ = 1,2,... 2т . \ 1 1

Пошпижио частот» ими приводит к уменьшению отрахсония энергии, но при этом попшаотся неравномерность злоктрпчоского поля кап в семени, так и во вредителе. Характер неравномерности напряженности электрического поля, в семени при наличии вредителя практически но зависит от частоты ЭМП.

Для оценки эффективности поглощения СВЧ энергии во вредителе по сравнению с семенем был введен относительный коэффициент, рассчитанный по формуле

й з

(7)

£аф =

£0£з 1Е&р1 1д$з 211 / £о &г1Еев„1Чд$г

На рис.3 представлена зависимость Азф от частоты при разной влажности семени и размерах вредителя, которая показывает, что эффективность поглощения СВЧ энергии увеличивается с ростом частоты ЭМП, а такие с уменьшением размеров вредителя 'и влажности семян.

Установлено, что для процессов СВЧ дезинфекции и предпосевной стимуляции величина модуля тангенциальных компонент напряженности электрического поля имеет равномерное распределение независимо от частоты, а величина модуля нормальной компоненты медленно убывает от поверхности к центру семени с повышением частоты ЭМИ. При СВЧ дезинфекции с поверхностным увлажнением семян удается создать зону повышенной напряженности в поверхностном слое, где сосредоточена основная масса микроорганизмов, причем величина относительного поглощения СВЧ энергии внутренним объемом семени по сравнением с внешним увлажненным слоем составляет 0,5-0,8 единиц.

А&г

з 2 1 01

Рис. 3. Коэффициент эсссектлв-ности поглощения СВЧ энергии во вредителе по сравнению с семенем.

1 - влажность семени 10$;

2 - влажность семени 20/1.

£ГГц

Исследования распространения электромагнитной волны в форме прямоугольных СМ импульсов показали, что характер изменения амплитуды импульса такой не, как и для случая непрерывного излучение т.е. пропорционально изменению передаточной функции среды, однако наблюдается растягивание импульса по фронту движения. Кроме того, с уменьшением длительности расширяется энергетический спектр частот содержащихся в импульсе.

В третьей главе изложены теория и математические методы исследования процесса СВЧ нагрева семян.

.'В целом, .как уже указывалось ранее, термическая обработка семян в ЗШ СВЧ предусматривает обработку объема или слоя семян. Однако эффективность обработки объема семян будет определяться эффективностью обработки (нагрева) каждого семени в отдельности. Поэтому результаты исследований, полученные для единичного семени при соблюдении равных условий СВЧ нагрева по всему объему вполне могут быть применимы ко всей семенной массе. Справедливость таког подхода объясняется еще и тем, что нагрев воздушно-семенной среды будет определяться СВЧ нагревом той части объема, которую занимаю семена й следовательно величиной удельной поглощаемой в единице объема каждого семени СВЧ мощности.

В общем случае кинетика СВЧ нагрева материалов, имеющих неко торый процент воды должна описываться системой дифференциальных уравнений с учетом массо-переноса и фазовых превращений. Однако п определенных условиях, с некоторой степенью погрешности, кинетику нагрева можно оценить на основе решения общего дифференциального уравнения, теплопроводности Фурье. Проведенные экспериментальные исследования по оценке возможной погрешности расчетов на основе теплопроводности показали, что исключение из анализа влияния поте теплоты на фазовые превращения приводит к погрешности не более 10 Следовательно для расчетов кинетики СВЧ нагрева семян при дезинсе ции, дезинфекции и предпосевной стимуляции, согласно общей физической модели, необходимо получить решение общего дифференциально го- уравнения теплопроводности Фурье на' объекте состоящем из внутреннего шара и внешнего шарового слоя. Такая постановка является наиболее общей и решение для каждого из рассматриваемых процессов может быть представлено, как частный случай общего решения.

Математические модели СВЧ нагрева семян при дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции были получены на основе решения общей' краевой задачи уравнения теплопроводности Фурье для мне гослойных объектов при неоднородных граничных условиях третьего

>ода. При математической постановке допускалось, что объект явля-тся изотропным, т.е. теплофизические параметры в каждом слое пос-оянны и однородны по всему занимаемому им объему.

В общем случае для объекта состоящего из "п " слоев темпера-урные поля в каждом слое опродсляютсл решенном систомы дпфферон-;иальных уравнений теплопроводности Фурье:

щш = сц ч*Ъ(гА) + * ^

д1

п ¿7

(8)

да Л' » , СI - соответственно плотность, коэффициенты тем-:ературопроводности и теплоемкости ¿-го слоя; Xо ,Хп- соответствию координаты нижней и верхней геометрической (свободной) по-ерхности объекта; ^¿(гЛ) - количество теплоты, выделяемого внут-'енними источниками теплоты (СВЧ нагрев) в единице объема /-го лоя за единицу времени; пространственная координата, при начальных условиях:

72 (п о) = ' (9)

да ¿¡О*)- некоторая функция начального распределения температуры,

при граничшгс условиях:

дг

дТ*(гА) дг

г=х0

Г= Хп

= ш

(10)

при граничных условиях сопряжения:

J ЁШ~Л-\ дТш(гЛ)

Яг дг

Г= Хс

¿= /,2,.,.Л'{,

(II)

да

дг дг

- коэффициент теплопроводности ¿-го слоя.'

Используя математические методы разделения переменных Фурье, ¡етоды включающие разложение функций источников теплоты по собст-.енным функциям однородной задачи и метод Диамеля для нестационар-ых граничных условий для системы уравнений (8) были получены ре-:ения в форме:

оо * л , .

7? Л 4= Ш V,m(Wm(r£mr)exp(-tiai (12)

/77. = О

*

где ' «'/я » fern ~ соответстйенно собственные функции и собст-

венные значения задачи; Ъ<тО:)~ обобщенные коэффициенты определяемые с учетом начальных и граничных условий, а также с учетом функций источников теплоты. ,

Полученное решение позволяет исследовать как кинетику нагрева, так' и кинетику охлаждения объекта при начальных температурах равных конечным температурам на стадии нагрева.

Экспериментальная проверка адекватности полученного решения для сферического случая цри СВЧ нагреве семян гороха показала, что различие менду экспериментальными и расчетными значениями не превышает 10$ и, следовательно, математические модели кинетики процесса СВЧ нагрева необходимо использовать для анализа процессов термической СВЧ дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции семян, а такие для расчета технологических и конструктивных параметров оборудования.

Численные "эксперименты кинетики СВЧ нагрева для процессов СВЧ дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции, проведенные с учетом относительного коэффициента поглощения СВЧ энергии Рзф в разных областях семени при дезинсекции, показали, что при СВЧ дезинсекции распределение температурных полей в семени и во вредителе ■ зависит от частоты ЗШ1, размеров насекомого, влажности семян и условий теплоотдачи на поверхности семени. Характерные кривые температурного поля в семени при СВЧ нагреве показаны на рис.4. В данном случае радиус семени Яг =3,5 мм, размер вредителя R-t =1,75мм, влажность семени 15$, удельная поглощаемая в семени СВЧ мощность 1,85 кВт/кг, начальная температура семени и окружающей среды 20°С, время нагрева 50 с.

Т(в)'Го,°С 100

80

66>Ь 40 20 О

3

т-- - ^

- —

О 0,2.

Рис. 4. Распределение температурного поля в семени при наличии в нем вредителя, .

1 - / = 1000 МГц;

2 - / = 3000 МГц;

3 - / = 9000 МГц;

— сС = 7,4 Вт/ м2*К;

- - оС = 74 Вт/ м2*К.

44

. I..

0,6

0,3 r/Rг

—I-1

Установлено, что согласно гипотезы "теплового воздействия" эффектность СВЧ дезинсекции повышается с ростом частоты ЭЯ1. Кроме того, увеличение коэффициента теплоотдачи " сС " на поверхности семени при СВЧ нагреве позволяет повысить температуру во вредителе по сравнению с Семеном, а при охлаждении быстро снять воздействие высоких температур.С увеличением влажности семян снижается температура нагрева вредителя, а с увеличением размеров вредителя температура его нагрева возрастает. В целом полученные результаты свидетельствуют о том, что предположение об избирательном нагреве при СВЧ дезинсекции имеет место лишь на очень высоких частотах (до 9 Год) и при достаточно больших размерах вредителя (около половины размера семени). На частотах ЭШ 1-3 ГГц избирательность нагрева практически отсутствует. Влияние размеров вредителя на температуру его перегрева проявляется только на частотах выше 3 1Тц.

Распределение температурного поля при СВЧ дезинфекции и СВЧ нагреве семени без вредителя практически не отличаются и в точности совпадают с кривой I на рис.4. Поверхностное увлажнение семян при СВЧ дезинфекции, несмотря на увеличение эффективности поглощения СВЧ энергии в данной зоне, не дает возможности избирательного нагрева микрофлоры по сравнению с семенем.

При постоянной мощности воздействия СВЧ энергии на фиксированную массу семян более влажные семена будут нагреваться сильнее по сравнению с менее влажными. Расчетные кривые изменения скорости нагрева семени с учетом влияния влажности на электрофизические и геплофизические параметры для зерновых культур показаны на рис.5. Расчеты проведены для удельной мощности СВЧ воздействия I кВт/кг.

дТМ,К/с

о го ею &0 ¿,с

Рис. 5. Расчетные кривые изменения скорости нагрева семени с учетом влияния влажности на электрофизические и теплофи-зические параметры.

1 - СВЧ нагрев при влажности

семян 10%;

2 - СВЧ нагрев при влажности

семян 20% без учета изменения параметров;

3 - СВЧ нагрев при влажности

семян 20% с учетам изменения параметров.

Установлено," что особенности СВЧ нагрева при импульсно-перио-дическом подводе СВЧ энергии в семена проявляются при частоте следования импульсов менее 0,1 Гц. В том случае, когда частота следования импульсов более I Гц, СВЧ нагрев практически определяется сродной в импульсе мощностью. Кроме того, отличие импульсного СВЧ нагрева от непрерывного' более значимо проявляется при коэффициенте заполнения импульса более 0,1 или при скважности менее 10.

В четвертой главе приведены результаты исследований посвященные разработке методов расчета технологических и конструктивных параметров оборудования при термической обработке семян электромш нитным полем. ,

3 основу методов расчета были положены результаты теоретических исследований кинетики.СВЧ нагрева семян. Разработанные методы позволяют:

- определять режимные параметры термической СВЧ обработки семян цри недостатке исходных данных;

- рассчитывать технологические параметры при СВЧ обработке объема семян в объемном резонаторе или з радиогерметичной камере под излучателем;

- рассчитывать технологические параметры при СВЧ обработке се:,'.як в слое, на конвейерной ленте под излучателем;

- рассчитывать основные технологические и конструктивные параметры при СВЧ обработке потока семян в камере взаимодействия ре-зонаторного типа.

Полученные результаты делают возможным рассчитывать и реали-зоЕЫвать режимы термической обработки семян (по скорости и по конечной температуре нагрева) практически на любом технологическом СЗЧ оборудовании, допускающем СВЧ обработку (СВЧ нагрев) дисперсных, сыпучих материалов.

' В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований процессов термической обработки семян электромагнитным поле! сверхвысокой частоты, а также результаты теоретических и экспериментальных исследований применимости интегрального температурно-времэнного водействия для оценки эффективности термической СВЧ обработки семян.

■ Экспериментальные исследования процессов дезинсекции бобовых (горох, фасоль) и термической обработки зерновых (пшеница, ячмень овес) культур■электромагнитным полем сверхвысокой частоты позволили выявить взаимосвязь между параметрами воздействия <Ш1 СВЧ, исходными' параметрами семян и эффективностью обработки. Установлены

зависимости между интенсивностью СВЧ воздействия, экспозицией обработки и всхожестью семян зерновых и бобовых культур с учетом исходной влажности семян (получены регрессионные уравнения, рассчитаны номограмы). Одним из наиболее значимых факторов является удельная СВЧ мощность воздействия на единицу массы семян, которая наряду с исходной влажностью семян фактически определяет эффективность термической СВЧ обработки семян. Причем Елияние СВЧ мощности воздействия наиболее сильно проявляется с повышением исходной влажности семян. Оптимальные и критические значения СВЧ мощности воздействия зависят от экспозиции и- исходной влажности семян, которые можно определять из регрессионных уравнений ми графически по расчетным номограмам. Так, например, при СВЧ обработке зерновых с исходной влажностью близкой к 20% при экспозиции более I минуты удельную СВЧ мощность воздействия следует выбирать менее I кВт/кг.. Оптимальные и критические значения■параметров СВЧ воздействия не являются строгими фиксированными значениями, а определяются специфическими граничными "линиями уровня" на "полях" СВЧ мощности воздействия, экспозиции и исходной влажности семян.

При СВЧ дезинсекции семян для уровней СВЧ мощности воздейст- . вия 0,1 кВт/кг и более фактором, определяющим гибель насекомых вредителей, является доза поглощаемой СВЧ энергии. Гибель насеко- • мых (80-90$) наступает ужо при дозах 65-70 кДж/кг, однако для, достижения 100-процентной смертности насекомых СВЧ доза должна быть вше 72-75 кЛж/кг. Удельные энергозатраты при СВЧ дезинсекции гороха и фасоли с учетом эффективности использования электроэнергии 70% составляют 0,029-0,032 кВт'ч/кг.

Параметры электромагнитного поля, экспозиция и исходные (электро- и теплофизические) параметры семян определяют скорость и конечную температуру СВЧ нагрева семян. Экспериментальными исследованиями по выявлению связи между термическим проявлением ЗиЛ СВЧ и биологическими показателями при СВЧ обработке семян установлено, что скорость и конечная температура нагрева по-разному коррелируют с показателями качества семян в зависимости от их исходной влажности. Так при исходной влажности семян зерновых в пределах 10%, влияние скорости и конечной температуры нагрева примерно равнозначно, при этом критические значения (снижение всхожести относительно контроля) находятся в пределах 0,6-0,7 °С/с для скорости СВЧ нагрева и 60-65 °С для конечных.температур нагрева. При больших значениях исходной влажности семян (до 20%) качество семян после СВЧ обработки, в основном, зависит от конечной температуры нагрева.

Б тожо время при больших значениях исходной влатпости сомопп наи-болоо сильно подвергаются угнотагощомУ действию С34 нагрева, поэтому температурные режимы следует ограничивать, как по скорости СВЧ нагрева:(не более 0,4-0,5 °С/с), так и по конечной температуре нагрева (не.более 50-53 °С).

Результаты экспериментальных исследований показали, что част! та ЗМП является, существенным фактором лишь при СВЧ дезинсекции, а при термической подготовке семян к посеву в диапазоне 1-9 ГО* влияние частоты ЗМП не существенно. Модуляция ЗМП является важным фа] тором (СВЧ дезинсекция семян импульсным ЭМП на частоте 9 ГГц снижает энергозатраты по сравнению с обработкой непрерывным ЭМП на частоте 2,5 ГГц в среднем на 20-25$). Поляризация ЭЛЛ также являе1. ся важным фактором (экспериментально установлено снижение энергозатрат при круговой поляризаций ЭМВ по сравнению с линейной поляр] зацией за счет улучшения согласования передачи СВЧ энергии от источника ■к объекту и повышения коэффициента использования СВЧ энергии).

Экспериментальные исследования влияния интегрального темпера-турко-временного воздействия при термической СВЧ обработке на посевные качества семян показали, что к процессу СВЧ обработки семя не может быть применена аналитическая форма представления интеграла летальности, учитывающая исключительно лишь действие высоких температур во времени. Поэтому были проведены теоретические и экспериментальные исследования и предложена математическая интегральна форма оценки летальности воздействия при термической СВЧ обработке семян как вероятности "отказа" биологического объекта, основанная на кинетике процесса и включающая эмпирические коэффициенты бкоре-зистентйостн. В простейшем и наиболее распространенном случае кинетики процесса "нагрев-охлаждение" интегральные соотношения для оценки термического действия при СВЧ обработке семян имеют вид:

(13) О

где оС. - вероятность снижения всхожести семян, связанная с количественными показателями всхожести по формуле:

{14)

где Ук , У - соответственно всхожесть семян до обработки и поел« обработки, %%

Hit / - фушсция интенсивности отказов, зависящая от изменения омиоратурн во промочи и коэффициентов устойчивости семян к терми-ескому СВЧ воздействию;

i/< - время окончания.стадии термического действия, характеризуе-ое некоторой критической температурой Тк, обуславливающей момент озможного наступления значительных биохимических изменений в клет-ах семян.

Для практического использования интегральной форды (13) опре-елены конкретные выражения функций интенсивности отказов семян и асекомых вредителей, а также рассчитаны численные значения коэф-ициентов биорезистентности для семян и насекомых вредителей по кспериментальным данным.

Ценность полученных результатов заключается в возможности ана-итической оценки эффективности термической обработки семян в ЭГ-ilI ВЧ на основе кинетики процесса, определения граничных условий на емпературные режимы исходя из агротехнологических требований. Интегральная форма оценки позволяет уточнять режимы обработки, а акие находить технологические приемы для удовлетворения требовани-м на эффективность обработки. Одним из наиболее простых приемов вляется нейтрализация термического действия за счет интенсивного хлаждения семян потоком воздуха после СВЧ нагрева. Расчетные зна-ения скорости потока и время охлаждения определяются из условий Эффективности обработки по интегральным соотношениям.

Исследования показали, что сочетание теоретических результатов кинетики СВЧ нагрева семян, методов расчета технологических и ежимных параметров, а также интегральных форм оценки летальности ермического действия делает возможным определять и оптимизировать ежимы термической СВЧ обработки семян с заранее заданной эффектив-остью, что существенно повышает надежность технологического цро-есса. В результате были определены рекомендуемые режимы термичес-ой дезинсекции и предпосевной обработки семян зерновых и бобовых ультур.

Практическая реализация технологий термической СВЧ обработки емян и зерна уже на настоящее время возможна на технической базе ироко используемой в оборонном комплексе. Так производственные ис-ытания рекомендуемых режимов предпосевной обработки зерновых, проеденные совместно с МОКБ "Горизонт" (г.Москва) на полях совхоза Куликовский" Дмитровекого района Московской области (1990,1991гг.) совхоза "Скуратовский" Чернского района Тульской области (1991г.), оказали высокую эффективность термической подготовки семян к по-

сову СВЧ энергией^ Урожайность ячменя после СВЧ обработки в совхо зе "Скуратовский" составила 30 ц/га (без обработки - 26 ц/га), а в совхозе "Куликовский" в 1990г. - 48,9 ц/га (без обработки - 42, ц/га) и в 1991г. 50 ц/га (без обработки - 42 ц/га).

В целом внедрение в сельскохозяйственное производство технологий термической обработки семян электромагнитным полем СВЧ позволит снизить потери зерна от насекомых вредителей до 30-40$, повысить урожайность зерновых и бобовых на 10-20$, снизить затраты энергии при дезинсекции и дезинфекции зерна и семян в 2-3 раза.

• В шестой,главе изложены исследования посвященные разработке технологических приемов, способов и технических средств для терми ческой обработки' семян электромагнитным полем СВЧ.

С учетом-технологических особенностей процессов были система тизированы основные варианты технической реализации технологических линий дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции семя Непосредственно процесс СВЧ обработки семян может быть осуществле различными дремами, однако с позиций технологичности процесса наи более предпочтительны СВЧ обработка слоя семян под излучателем и СВЧ обработка потока семян в проходной камере резонаторного типа.

Основными требованиями к устройствам СВЧ обработки семян в слое являются равномерность обработки и согласование источника СБ энергии с нагрузкой. Поэтому на основе теории и математических ме тодоа исследования распространения и отражения электромагнитных волн,в плоскослоистых диэлектрических средах был разработан ряд устройств и технических приемов СВЧ обработки семян, позволяющих при равномерной обработке семян обеспечивать хорошее согласование источника СВЧ энергии с нагрузкой по коэффициенту отражения. Раз работанные способы согласования источника СВЧ энергии с нагрузкой позволили создать систему контроля и автоматического поддержания минимума коэффициента отражения в процессе СВЧ обработки при изме нении электрофизических параметров. Новизна способов заключается том, что под излучателем и слоем материала устанавливается регули руемых металлический экран и, в соответствии с определенными зави симостями, выбирается толщина слоя обрабатываемого материала и расстояние' между конвейерной лентой и экраном.

Для обработки семян в потоке был разработан ряд СВЧ установо камера взаимодействия, которых, представляет проходной объемный резонатор. Конструкции расработакных установок обеспечивают равно мерную- обработку всего потока семян при максимально возможной про изводительности. Однако для промышленного использования целесооб-

Рис. 6. Принципиальная блок-схема СВЧ комплекса "Arpo"

I - система электропитания; 2-СВЧ генератор; 3 - загрузочный бункер; 4 - камера взаимодействия (объемный резонатор); 5 - разгрузочный бункер; 6 - система охлаждения; 7 - дистанционный пульт управления;

— * — поток холодного воздуха;

---- поток подогретого воздуха.

13HO создавать не отдельные типы СВЧ устройств, а специализирован-ie унифицированные СВЧ комплексы, которые в полной мере могли'бы ¡ализовывать различные варианты технологических линий, включая юрации присущие как дезинсекции, дезинфекции, так и предпосевной симуляции семян.

В связи с этим, совместно со специалистами опытно-конструктор-сого бюро "Горизонт" (г.Москва), был разработан специализированный 34 комплекс "Установка для обработки сельскохозяйственной продукт "Arpo", позволяющий реализовывать практически все рассматрпвае-ie технологии термической обработки семян - дезинсекцию, дезпнфек-w, предпосевную стимуляцию. Принципиальная блок-схема установки зказана на рис.6. Конструктивно установка состоит из СВЧ-энергопз-гчающего модуля с камерой взаимодействия, блока электропитания, зстанционного пульта управления и вспомогательных блоков. Отличи-зльной особенностью принципа работы установки является использова-' ад тепла, полученного при обеспечении заданного температурного рема СВЧ генератора, для предварительного подогрева обрабатываемых эмян при СВЧ дезинсекции и дезинфекции. Это позволяет на 8-10$ зеличить производительность установки без увеличения потребляемой ощности. Производительность установки при дезинсекции до 1,2- т/ч. энструкция СВЧ комплекса предусматривает такие доукомплектование пециализированными камерами взаимодействия и другими устройствами целью существенного расширения его технологических возможностей: ушки зерна, фруктов, лекарственных трав, древесины ценных пород, герилизации пищевых продуктов и др. Возможны варианты как стацио-арного, так и мобильного размещения оборудования.'

Седьмая глава посвящена технико-экономическому анализу эффек-ивности применения электромагнитных полей СВЧ для термической об-

работки сомни зерновых и бобошх культур в процессах дезинсекции и продпосовной обработки. С учетом производственного э<1*Т>окта' был про веден детальный анализ влияния производительности, годовой загрузк и срока службы оборудования на экономическую эффективность СВЧ обработки. Разработан типоразмерный ряд СВЧ устройств по производительности для.процессов, обработки семян электромагнитным полем СВЧ

Характерная зависимость экономического эффекта от вышо указан ных составляющих показана на рис.7. В целом на основании анализа технико-экономической эффективности применения ЕШ СВЧ для термической обработки семян были выявлены важные моменты, соблюдение, которых на практике обеспечивает максимальный экономический эффект

- одним из основных требований к СВЧ оборудованию является на дежность безотказной'работы.'При сроке службы оборудования 5 лет л более затраты на СВЧ технологии будут экономически оправданы;

- исходя из технических возможностей СВЧ оборудования (производительность) потребителю необходимо обеспечивать минимальную заг рузку оборудования (объем обработки), чтобы СВЧ обработка семян бы ла экономически оправдана. Обеспечение, указанных условий возможно различными организационными мероприятиями:

1.При фиксированных сроках обработки и недостаточной произвс деятельности .оборудования увеличить суточную нагрузку за счет двух или трехсменной работы;

2.¡Максимально использовать оборудование в течение года -предпосевная СВЧ подготовка семян весной, СВЧ дезинсекция семян в осенне-зимний период;

3.Эксплуатация -оборудования несколькими потребителями за сче обслуживания ряда хозяйств, в конкретном районе, т.е. реализация СБ технологий на базе специализированного СВЧ комплекса.

Зг!/,Р!/5/Г

Рис. 7. Влияние годовой загрузки оборудования на экономическую эффективность СВЧ дезинсекции гороха (срок службы оборудования - 5 лет) в зависимости от производительности.

I - 0,1 т/ч; 2 - 0,5 т/ч; 3-1 т/ч; 4-2 т/ч.

600

400

г—

г— У—„

200

400 ■ 600 </

<

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И 0П1[ЙЕ ВЫВОД}.

Выполненная диссертация является комплексным научным исследо-занием процессов термической обработки семян с.-х. культур в элек-зромагнитном поле сверхвысокой частоты, включающим разработку теоретических методов исследования и использование их для разработки 1 практической реализации экологизированных технологий дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции семян.

Основные результаты исследований заключаются в следующем:

1. Разработанные теория и математические методы исследования троцессов термической обработки семян в электромагнитном поле зверхвысокой частоты, включающие исследование напряженности 31,!П з земени, исследование СВЧ нагрева, исследование применимости интег-' зального температурно-временного воздействия для оценки эф^ектив- ' юсти термической СВЧ обработки семян, являются научной базой сознания эффективных методов и технических средств для получения вк-зококачественного посевного материала. Результаты выполненных негодований позволяют оценить действие физических факторов при термической СВЧ обработке семян; определить условия эффективности термической СВЧ обработки при дезинсекции, дезинфекции и предпо- • зевной стимуляции семян; комплексно оценить эффективность применения электромагнитных полон СВЧ для термической обработки семян в вельском xoзяiicтвe.

2. Полученные математические модели процесса термической обработки семян в переменном электромагнитном поле, устанавливающий взаимосвязь между основными физическими параметрами 3!Ш, физическими и биологическими параметрами семян и окружающей среды, позволяют выявлять способы и приемы совершенствования существующих и разработки более эфГоктивных технологических приемов и технических зредств термической дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции семян с.-х. культур в электромагнитном поле СВЧ, определять

я прогнозировать наиболее рациональное их применение. Разработанные математические модели позволяют рассматривать систему "Электромагнитное поло - срода - семена", как единую совокупность, определяемую физическими параметрами электромагнитного поля, свойствами биологических объектов и свойствами окружающей среда. При известных физических и биофизических свойствах биологического объекта по величине физических параметров электромагнитного поля ( /дельной СВЧ мощности, экспозиции и т.д.) и по'условиям окружающей зреда (температура, интенсивность теплообмена) можно оценивать ве-

роитную эффективность термической СВЧ обработки семян (дезинсекции дезинфекции, предпосевной стимуляции).

3. Экспериментальная проверка подтвердила адекватность теор( тических моделей, что дало возможность провести численные эксперз монты И выявить следующее:

- При СВЧ дезинсекции наиболее предпочтительна обработка семян с меньшей (кондиционной) влажностью, с высоким значением напряженности электрического поля. Гипотеза об избирательном СВЧ на: реве при СВЧ дезинсекции имеет место лишь на очень высоких частотах, (до 9 ГГц) и при достаточно больших размерах насекомого (око: половины размера семени). На частотах менее 3 ГШ избирательном] СВЧ нагрева практически отсутствует. Влияние размеров насекомого на температуру его перегрева начинает проявляться только на част< тах выше 3 ГГц.

-. При СВЧ дезинфекции наиболее предпочтительна обработка семян с меньшей влажностью, с высоким значением напряженности элек'. рического.поля. Кратковременное увлажнение семени позволяет создать зону повышенной напряженности электрического поля на ого поверхности и некоторое увеличение эффективности поглощения СВЧ энергии в данной зоне, но не дает возможности избирательного нагрева микрофлоры по сравнению с семенем.

- При предпосевной стимуляции, дезинсекции и дезинфекции сл( дует учитывать следующее: в целом распределение температурного п< ля в семени неравномерно - максимальная температура в центре, минимальная па поверхности; с повышением интенсивности теплообмена разница температур между центром и поверхностью семени повышаете; но при этом снижается скорость СВЧ нагрева; при постоянной мощное ти воздействия СВЧ энергии на фиксированную массу семян более ■ влажшга семена будут нагреваться сильное по сравнению с менее влажными семенами; особенности СВЧ нагрева при шпульсно-периоди-ческом подводе СВЧ энергии в семена (снижение скорости нагрева) проявляются' при частого следования импульсов моное 0,1 Iii, в том случае, когда частота следования импульсов более I Гц СВЧ нагрев практически определяется средней в импульсе мощностью; отличие ш пульсногд СВЧ нагрева от непрерывного более значимо проявляется при скважности импульса менее 10.

4«..'Разработанные на основе теоретических исследований метод? расчета основных технологических и конструктивных параметров СВЧ оборудования позволяют определять режимные параметры термической СВЧ обработки семян при недостатке исходных данных, рассчитывать

:^oxлo.';oгí[^гoGía:o шрлмотр» при СИЧ обрпсютко обч>ош сошл л объом-юм ропонаторо или в рпдпогормотичноН каморо под нзлучлтолом, р:ю— считывать технологические параметры при СВЧ обработке семян в слое га конвейерной ленте под излучателем, рассчитывать основные техно-югические и конструктивные параметры при СВЧ обработке потока селян в камере взаимодействия резонаторного типа. Это делает возмож-:шм создавать новые эффективные технические средства термической ЗВЧ обработки семян, а такие использовать существующее технологическое СВЧ оборудование для реализации процессов термической дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции, существенно снижать затраты на разработку и внедрение новой техники в производство.

5, Экспериментальными исследованиями установлены регрессионные зависимости влияния удельной СВЧ мощности, экспозиции, скорости и конечной температуры СВЧ нагрева на качество семян при термической СВЧ обработке зерновых и бобовых культур,'выявлены пороговые и критические значения параметров воздействия определяющие га-бель насекомых вредителей (гороховой и фасолевой зерновок).

6. Экспериментально установлено, что частота ШП является существенным фактором лишь при СВЧ дезинсекции. Модуляция электромагнитного поля (импульсная СВЧ обработка) позволяет снизить энергозатраты при СВЧ дезинсекции на 25-30$. Круговая поляризацм улучшает согласование передачи СВЧ энергии от источника к семенам снижая общие энергозатраты на термическую СВЧ обработку.

?. Экспериментально подтверждено, что эффективность термической СВЧ обработки семян можно оценивать на основе интегральных со-отношзний "вероятности отказа биологического объекта".Математическая форма оценки эффективности термической СВЧ обработки, основанная на кинетике процесса и включающая эмпирические коэффициенты биорезистентности, позволяет определять условия эффективности обработки семян, рассчитывать и уточнять режимы термической СВЧ дезинсекции, дезинфекции, предпосевной стимуляции, прогнозировать ожидаемый результат, повысить надежность технологического процесса.

8. Экспериментально проверены в производственных условиях, разработанные на основе теоретических и экспериментальных исследований, рекомендуемые режимы термической СВЧ обработки семян. Термическая СВЧ обработка позволяет проводить дезинсекцию бобовых без снижения всхожести семян. Прибавка урожая зерновых и бобовых культур составляет 10-19$.

9. Разработанные новые способы и технические устройства для

термической обработки .семян в ШП СВЧ обеспечивают равномерность обработки семян и согласование СВЧ источника с нагрузкой как для малых (до 100 кг/ч) так и для больших (до 2 т/ч) производительно» тей. Разработанный совместно с ОКБ "Горизонт" (г.Москва) унифицированный СВЧ комплекс "Arpo" (производительностью до 1,2 т/ч при дезинсекции) монет быть использован также дая сушки зерна, фрукт' лекарственных трав, древесины ценных пород, стерилизации пищевых продуктов и др., предусматривает варианты как стационарного, так и мобильного размещения оборудования.

10. Разработанная методика технико-экономической оценки позволяет определять комплекс необходимых условий эффективности прю нения энергии электромагнитных полей СВЧ для термической обработз семян.

Экологизированные технологии термической дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции семян в ЗМП СВЧ позволяют улучшить экологию в сельскохозяйственных районах, повысить урожайное: с.-х. культур, обеспечить сохранность посевных свойств семян и продовольственных качеств зерна, снизить потери семян и зерна от насекомых вредителей запасов до 30-40/5, отказаться от закупки дорогостоящих химических препаратов, снизить общие затраты энергии при термическом обеззараживании по сравнению с использованием жщ кого топлива в 2-3 раза, снизить затраты ручного труда в 3-5 раз, улучшить условия груда обслуживающего персонала.

Широкое внедрение технологий термической обработки семян в ЭШ СВЧ позволяет использовать в народном хозяйстве оборудование, не задействованное в оборонном комплексе, и обеспечить занятость определенной части оборонных предприятий на изготовлении технологического СВЧ оборудования.

: ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В РАБОТАХ:

1. Математическая модель процесса СВЧ-нагрева семян в псевдс сжиженном слое// Сб. науч. тр. МИИСП.- M., 1987.- С.33-36 (соавтор парков Г.А.).

2. Процесс дезинсекции семян при диэлектрическом нагреве// Сб. науч. тр. МИИСП.- M., 1988.- С.16-22 (соавтор Шарков Г.А.).

3.. Рассеяние плоских электромагнитных волн сферическим препятствием// Сб. науч. тр. МИИСП.- M., 1989.- С.5-10 (соавтор Боре дин И.Ф, ). .

. 4. Лабораторная СВЧ установка// Сб. науч. тр. МИИСП.- М., 1989.- С.25-31 '(соавторы Кузнецов С.Г., Михайлов М.Д.).

ii. СВЧ-дозинсокция семян гороха от гороховой зерновки// У1 сосоюпиал паучно-тохппчоскал конфоропцпя "Элоктрофизическио мето-ы обработки пищевых продуктов и с.-х. сырья.- М.: 1989.- С.126.

6. Способ и устройство управления СВЧ-обработкой сыпучих ма-ериалов// Сб. науч. тр. МИИСП.- М., 1990.- С.10-14 (соавторы Куз-эцов С.Г., Андержапов АД., Михайлов М.Д.).

7. СВЧ-обработка семян овощных культур// Сб. науч. тр. МИИСП. М., 1990.- С.21-22 (соавтор Бабенко A.A.).

8. К вопросу СВЧ дезинсекции-семян бобовых культур// Сб. Э.уч. тр. МИИСП.- М., 1990.- С.45-48.

9. Всхожесть семян можно повысить// Картофель и овощи.-Э90, JS2.- С.24-25 (соавторы Кононков II.Ф., Старцев В.И.).

10. Термический эффект определяющий фактор качества семян при ЗЧ-сушке// У1 Всесоюзная научно-практическая конференция "Примо-зние СВЧ-энергии в технологических процессах и научных исследова-;1ях".- Саратов, 1991.- С.16-17 (соавтор Горки А.Д.).

11. Импульсная СВЧ обработка семян гороха// Сб. науч. тр. ШСП,- М., 1991.- С.31-32.

12. Урожайность ячменя можно повысить используя СВЧ энергию// S. науч. тр. МИИСП.- М., 1991.- С.18-19 (соавтор Горин А.Д.).

13. Расчет импульсных электромагнитных полей при СВЧ-облуче-ш диэлектрических материалов, ограниченных металлическим экранам ' Сб. науч. тр. МИИСП.- 1991., С.14-18 (соавтор Бабенко A.A.).

14. Многомодульная СВЧ-установка и ее применение в агропро-гшленных предприятиях// Сб. науч. тр. МИИСП.- 1991., С.25-28 (соборы Кузнецов С.Г., Воронов A.B., Литун И.Б.).

15. Проявление теплового эффекта при СВЧ-сушке сети// Всесо->ная конференция "Применение СВЧ-излучений в биологии и сельском >зяйстве",- Кишинев, I9SE.- С.18-19 (соавтор Горин А.Д.).

16. Энергетический спектр излучения при импульсном СВЧ воздей-■вии на семена с.-х. растений/ Научно-техническая конференция 11ПТИМЗСХ по итогам исследований 1990 г."- Зерноград, 1991.- С. '-101 (соавтор Бабенко A.A.).

17. Взаимодействие электромагнитной волны с Семенами при де-.нсекции зерна// Техника в сельском хозяйстве.- 1991, J56.- С.8-

1 (соавторы Бородин И.Ф., Кузнецов С.Г.).

18. СВЧ дезинсекция гороха и фасоли// Ш Всесоюзный научно-шзводственный семинар молодых ученых и специалистов "Новые идеи растениеводстве и пути их реализации".- Воронеж, 1991 (соавтор родин И.Ф.).

19. К вопросу импульсного СВЧ награва с.-х. объектов// Cd. науч; ■ тр. imcil.- 1092.- C.26-3U.

20. Термические аспекты СВЧ обработки семян// Сб. науч. тр. Ш1СП,- М., 1992,- С.38-42 (соавтор Бабенко A.A.).

21.- Распространение электромагнитного импульса при СВЧ обработке семян// Сб. науч. тр. МИИСП.- М., 1992.- C.I05-X09 (соавтор Бабенко A.A.).

22. Исследование- влияния температурных факторов на всхожесть се.млн пшеницы при СВЧ обработке// Сб. науч. тр. МИИСП.- М., 1992,-С.33-36 (соавтор Горин А.Д.).

23. Электромагнитные поля на службе у полевода// Зерновые культуры.- 1992, .'г5-6.— С.6 (соавторы Бородин И.Ф., Горин А.Д.). ■

24'. Расчет температурных полей при СВЧ нагреве многослойных объектов// Сб. науч. тр. МИИСП,- М., 1993.- С.22-27.

25/ К расчету напряженности электрического .поля при СВЧ обработке полупроводдщик плоскослоистых объектов ограниченных металлическим экраном// Сб. науч. тр. МИИСП.- М., 1993.- С.28-31.

. 2G. Измонешв всхожести сомян зерновых культур под влиянием СВЧ обработки// Доклады РАСХН, 1993.- й2.- С.92-95 (соавторы Бородин К.'i., Горин А.Д.).

27. К расчету нестационарной теплопроводности в многослойных объектах при граничных условиях третьего рода// Инженерно-физический журнал,- 1993, Т.65.- Ш.- С.93-100.

28. К вопросу использования импульсных СВЧ генераторов для термообработки зорио// Техника в солт.ском хозяйства,- 1993,- №3.-С.28-29. ■

29. Основные результаты комплексного анализа эффективности примекения.электромагнитных полей СВЧ в процессах термической обра ботки семян//. Всероссийский научно-технический солннар "Высокоэффективные технологии по производству продуктов сельского хозяйстве их переработке и хранению",- МГАУ.~ М., 1993.- С.22-23,

30,.К вопросу решения термической задачи СВЧ нагрева пантов северного оленя// Всероссийский научно-технический семинар "Высо-коэ'И.ективше технологии по производству продуктов сельского хозяй стза, их переработке и хранению".- МГАУ.- М., 1993.- С.20-21.(соавтор Горин' А. Д.).'

31. Исследование напряженности электрического поля в семени цри СВЧ дезинсекции зерна// Электричество.- 1994.- ЖЗ,- С.54-58.

32. Высокочастотный нагрев в технологии обработки семян зерновых// Техника в сельском хозяйстве.- 1994.- КЗ,- C.I8-I9.

33. Воздействие те.миоратуриих факторов на всхожесть семян фношх при их обработке в элоктромагнптном поло СВЧ// Досада VCXH.- 1994, КЗ,- С.21-23 (соавтор Горин А.Д.).

34. К решению некоторых общих краевых задач уравнения типа )ШЮцроводности для одномерных многослойных объектов при неодно-эдных граничных условиях третьего рода// Ред. "Инж.-физ. ас."

I Беларуси.- Минск, 1994.- 9 е.- Деп. в ВИНИТИ.

35. Обработка семян и зерна электромагнитным полем сверхвысо-)й частоты// Сельский механизатор.- 1994, J58.

36. Расчет напряженности электрического поля в многослойной >лупроводящей сфере// Сб. науч, тр. МГАУ.- M., 1994.

37. Интегральная оценка температурного действия при обработке змян в ЭМП СВЧ// Техника в сельском хозяйстве.- 1994, ШЗ.

38. Исследование и обоснование способов и основных параметров 5Ч-установки для борьбы с сорняками в почве.// Отчет НИР, этап I, ШСП.- М.: ВНТИЦ, инв. Ш2907000И889, 1989.- 50. с. (соавторы Бодан И.Ф. и др.).

39. Разработка и изготовление СВЧ стенда для проведения кссле->ваний с семенами сорных растений в лабораторных условиях// Отчет IP, этап П, МИИСП.- 1,1. : ВНТИЦ, инв. 1ЭД29Ю046735, 1989.- 47 с. ¡оавтори Бородин И.Ф. и др.).

40. Разработка экологически чистых и энергосберегающих техно->гий по производству и хранению с.-х. продукции с использованием [ешних электромагнитных полей и внутренних биоэлектрических явле-1й// Отчет НИР, этап I, МКИСП.- М.: ВНТИЦ, инв. JîO2920009415, 390.- 189 с. (соавторы Бородин И.Ф. и др.).

41. Разработка экологически чистых способов снижения потерь -х. продукции с использованием СВЧ энергии// Отчет НИР-, этап П, ¡ИСП.- М. : ВНТИЦ, инв. Ю2930004692, 1992.-.159 с. (соавторы Бодан И.Ф. и др.).

42. Разработка технологий и устройств для производства эколо-[чески чистой с.-х. продукции с применением биоэлектрической инфляции и электромагнитшх полей// Отчет НИР, МИИСП,- М. : ВНПЩ, ш. Л02930004944, 1992.- 139 с. (соавторы Бородин И.О. и др.).

43. Исследование процессов обеззараживания семян зерновых 'льтур и предпосевной их стимуляции на базе применения электромаг-1ткых полей// Отчет НИР, МИИСП.- М.: ВНТЩ, инв. №290004943, 392.- 92 с. (соавторы Бородин И.Ф. и др.).

44. А.с.1586550 (СССР). Устройство для обработки семян// Боро-1Н К.Ф., Вендин C.B., Кузнецов С.Г.- опубл. Б.И., 1990, Ж31.

45. A.C.I66S0E7 (СССР). Способ обработки диэлектрических материалов// Опубл. Б.И., 1991, 1УА9 (соавторы Бородин И.Ф., Кузнецов С.Г., Михайлов М.Д.).

46. А.с.1658851 (СССР)»Способ управления процессом перемешивания навозных стоков и система для его осуществления// Опубл.

Б.И., IS9E, Ji'24 (соавторы Якименко Л.П., Головинов В.В., Паткин A.A.).' .

47. А.с.1706419 (СССР). Способ дезинсекции семян бобовых// Опубл. Б.И., 1992, J.'3 (соавторы Горин А.Д., Кузнецов С.Г.).

48. А.с.1738117 (СССР). Способ предпосевной обработки семян находящихся в состоянии глубокого органического покоя// Опубл. Б.И., 1992, Jp2I (соавторы Бородин И.Ф., Кононков П.Ф., Старцев В.И Бабенко A.A.).

.49, А.с.1766294 (СССР). Устройство для предпосевной обработки семян// Опубл. Б.И., 1992, ¿'37 (соавторы Бородин И.Ф., Бабенко А./

50. А.с.1787346 (СССР). Устройство для СВЧ обработки семян// Опубл. Б.И.-, 1993, Ур2 (соавтор Бородин И.Ф.).

51..А.с.4736102/31 (СССР). Устройство для дезинсекции семян// 1990 (соавтор Бородин И.Ф.).

52. VendinS.V. JnveslLgalion of ihe EteclrU Fietd

Jniensily Ln Seed Düring UHF- ßisin/esiaiiön.- Btec-tri ca£ Technology, 1994, Ж../, pp. 189-178.