автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Параметры и режимы работы электроактиватора для предпосевной обработки семян зерновых культур

'-'/ ,, ■ Л; . ,,

"г "' ■ - / / - .■ /

/

АЗОВО-ЧЕРНОМбРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АГРОИНЖЕНЕРНАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

БОЛТРИК Олег Петрович

ПАРАМЕТРЫ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОАКТИВАТОРА ДЛЯ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР

Специальность 05.20.02 - электрификация сельскохозяйственного

производства

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

КСЕНЗ Н.В., кандидат технических наук, доцент ЧЕБА Б.П

ЗЕРНОГРАД 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение 4

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 11

в

1.1. Роль предпосевной обработки семян в повышении урожайности зерновых культур 11

1.2. Методы предпосевной обработки семян и пути их совершенствования 14

1.3. Обоснование научной гипотезы и технических средств, повышающих эффективность предпосевной стимуляции семян 24 1.4 Выводы по обзору литературы. Задачи исследования 36 Глава 2. Теоретические положения процесса обработки семян активированным водным раствором 38

2.1. Системный подход к изучению процесса обработки семян 38

2.2. Гипотеза механизма активации водного раствора при электродиализе 40

2.3. Исследование влияния режимных параметров электроактивации

на водородный показатель 43

2.4. Обобщенная модель энергоемкости процесса

электроактивации водного раствора 46

2.5. Обоснование межэлектродного расстояния электроактиватора 49 Глава 3. Экспериментальное исследование системы «электроактиватор - раствор - семя» 52

3.1. Выбор технических средств измерений и обоснование повторности измерений 52

3.2. Исследование влияния напряжения и подачи воды на

удельный расход электроэнергии 57

3.3. Исследование энергоемкости активации воды в зависимости

от межэлектродного расстояния 71

3.4. Исследование характеристик электроактивированного

водного раствора 78

3.5. Зависимость водородного показателя воды рН от величины тока 83

3.6. Определения режима предпосевной обработки семян 90

3.6.1. Исследование влияния факторов на энергию прорастания 92

3.6.2. Исследование влияния факторов на всхожесть зерна 97

3.6.3. Исследование влияния факторов на длину стебля 101

3.6.4. Исследование влияния факторов на длину корня 105 Глава 4. Разработка электроактиватора воды для получения активированных растворов и технико-

экономическая оценка результатов его применения для

повышения эффективности предпосевной обработки семян 112

4.1. Разработка электроактиватора для получения активированных растворов 112

4.2. Технико-экономическая оценка результатов применения электроактиватора для повышения эффективности предпосевной обработки семян 124 Общие выводы 129 Список использованных источников 131 Приложения . 142

ВВЕДЕНИЕ

Увеличению производства и повышению качества продукции растениеводства в значительной мере препятствуют потери урожая от болезней, вредителей, сорняков. Потери урожая различных сельскохозяйственных культур от вредных насекомых, болезней и сорняков могут достигать 30% (из них от вредных »насекомых -14%, от болезней -12%, от сорных растений -9%) [92]. Общий ущерб, причиняемый сельскохозяйственными вредителями, насекомыми, болезнями растений и сорняками, еще выше, если учесть потери продукции при хранении, убытки от снижения качества сырья, идущего на промышленную переработку.

Подсчитано, что проводимые в настоящее время мероприятия по защите сельскохозяйственных культур в нашей стране, позволяют ежегодно уменьшать потери на 17...20 млн. тонн зерна. По данным "Управления защиты растений" на 1 тысячу рублей, затраченных на мероприятия по защите растений, хозяйства получают от 3,5 до 6 тысяч рублей чистой прибыли, в том числе по отдельным культурам рентабельность составляет: зерновые колосовые - 350%, картофель - 300%, хлопок - 400%, сахарная свекла - 600% [42]. Расчетами доказано, что при эффективном использовании всех методов защиты растений у нас в стране можно дополнительно сохранить урожай на сумму 8 триллионов рублей [81].

Аналогичная картина и в других странах мира с развитым сельским хозяйством. Так, общие ежегодные потери урожая сельскохозяйственных культур в США оцениваются в 15 млрд. долларов. В Германии, Италии и др. странах Еврбпы теряется от 20 до 30% урожая.

Интенсивное ведение сельскохозяйственного производства, при котором постоянно совершенствуется технология возделывания сельскохозяйственных культур, позволяет значительно уменьшить потери урожая от вредных организмов и сорняков.

Немаловажное значение в интенсивной системе ведения растениеводства имеет предпосевная обработка посадочного материала. Семена - носители биологических и хозяйственных свойств растений, в решающей степени определяют качество и количество получаемого урожая. Сельскохозяйственное производство предъявляет к семенам определенные требования, установленные государственными стандартами.

а

Производство семян сельскохозяйственных культур включает ряд технологических операций, таких как: уборка, подработка семян, хранение после уборки, обеззараживание, предпосевная подготовка, посев. На каждой стадии производства и хранения, на семена могут оказать негативное влияние природно-климатические и хозяйственные факторы.

В настоящее время основным технологическим процессом предпосевной обработки семян является протравливание семян с целью уничтожения или подавления наружной и внутренней инфекции. Большая и целенаправленная работа ученых в этом направлении позволила на основе достижений современной химии разработать новые, разносторонне действующие на семена, препараты.

Так, для современных протравителей семян характерен широкий спектр действия:

- обеззараживание семян от возбудителей и болезней растений, передающихся через семенной материал (пыльная и твердая головня пшеницы, пыльная, черная пыльная и твердая головня ячменя, корневые гнили, фузариозы и бактериозы злаковых культур и т.д.);

-защита семян во время хранения, а также высеянных семян и их проростков от плесенных заболеваний при неблагоприятных условиях во время про-

о

растания;

-ослабление отрицательного действия травматических повреждений семян за счет активизации их защитных свойств и предохранения от развития микроорганизмов на травмах;

-повышение энергии прорастания семян и их полевой всхожести;

-стимулирование роста и развития растений, усиление активности окислительно-восстановительных процессов в них;

-улучшение перезимовки озимых культур.

Несмотря на высокую эффективность применения данного способа предпосевной обработки семян, он обладает и рядом отрицательных качеств.

Применение химических препаратов связано с опасностью для человека, с загрязнением окружающей среды, воздействием препаратов на металлы, ткани и т.п. Кроме этого, применение химических препаратов требует точной дозировки для различного вида злаковых культур. Хранение, транспортировка, сроки действия этих препаратов строго регламентированы.

Из всего количества химических средств защиты растений, используемых в России, ввоз их из-за рубежа составляет 85%. Если в 1987 г. в нашей стране произвели химических средств защиты 150 тыс. тонн по действующему веществу, а всего было использовано 420 тыс. тонн, то 270 тыс. тонн химических средств были закуплены за валюту. При этом потребность в химических средствах в последние годы удовлетворяется по объему на 60%, а по ассортименту только на 25%. Ассортимент химических веществ насчитывает более 100 тыс. наименований на основе более чем 900 тыс. химических веществ, принадлежащих к самым разнообразным классам органических и неорганических соединений [62].

Процесс наращивания производства и применения химических средств защиты растений идет во всех странах мира. Так, если в 1960 г. мировой рынок химических средств оценивался в 860 млн. долларов, то к 1985 году он возрос до 15900 млн. долларов. В среднем в мире на химические средства защиты расходовалось 16,5 долларов на 1 га. В 1988 г. в мире израсходовано на химические1 средства 17,4 млрд. долларов. Из них на США приходится 26%, западную Европу - 25%, Японию и Юго-Восточную Азию - 22%, Россию - 6% [62].

Таким образом, по заключению многих ученых мира, в обозримом будущем химические средства защиты растений будут играть главную роль в интег-

в

рированных системах защиты сельскохозяйственных культур. Сегодня отказ от химических средств защиты растений нереален. Производство не располагает достаточно эффективными альтернативными средствами сохранения урожая, и по мнению ученых в обозримом будущем вряд ли это можно будет сделать.

Разработка новых альтернативных способов предпосевной обработки семян является важной научной проблемой в свете получения высоких урожаев зерновых культур. В научных кругах, среди специалистов-производственников ведется дискуссия о целесообразности применения тех или иных методов воздействия на семенной материал с целью повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Это обстоятельство в большой мере связано с тем, что до настоящего времени в публикациях нет четкого анализа влияния электрофизических факторов на семена, не определены условия и область их предпочтительного применения. Сами технические устройства электрофизического воздействия технически не совершенны, плохо согласуются с общепринятой технологией предпосевной обработки семян и технологическим оборудованием. Опытные образцы устройств сложны, трудоемки в изготовлении в условиях мастерских хозяйств.

• Перечисленные обстоятельства ставят перед учеными задачи поиска новых путей, дополнительных научно-исследовательских работ, направленных на расширение способов и средств обработки семенного материала.

Применение активированной воды для приготовления мелко дисперсионных растворов микроэлементов с добавлением клеящих веществ не оказывает вредного экологического воздействия на окружающую среду, позволяет значительно снизить затраты на обработку семенного материала, повысить энергию прорастания, повысить урожайность с.х. культур.

Целью диссертационной работы является оптимизация параметров электроактиватора и процесса электроактивации водных растворов для повышения посевных качеств семян зерновых культур.

Актуальность проблемы. Ведущими учеными страны Басовым A.M., Исаковым Ф.Я., Каменир Э.А. (ЧГАУ), Бородиным И.Ф. (МГАУ), Потапенко И.А., Ирха П.Д., Бондаренко Н.Ф., Баранским П.И. (КГАУ) и др. доказано появление положительного эффекта от воздействия электрофизических процессов на посевные качества семян. Однако сведения о влиянии процессов стимуляции се-

е

мян носят весьма противоречивый характер. На наш взгляд одной из существенных причин противоречивых результатов является отсутствие стройной теории, описывающей возникновение стимулирующих эффектов, в частности теории стимуляции семян электроактивированными водными растворами. В этой связи, любые успешные попытки получения соответствующей теории не только позволят объяснить научную сущность предпосевной стимуляции семян, но и оптимизировать параметры процессов и устройств электроактивации.

Объектом исследования является система: электроактиватор-активи-руемый водный раствор-семя.

Предметом исследования являются зависимости посевных качеств семян от параметров активированного водного раствора и электроактиватора.

Задачи исследования:

-анализ существующих способов и средств предпосевной обработки семян;

- исследовать влияние электроактивированного водного раствора на посевные качества семян зерновых культур;

-разработать математическую модель процесса активации водного раствора и установить его параметры оптимизации;

-оптимизировать режимы процесса активации;

-установить зависимости параметров процесса активации от технических характеристик электроактиватора;

-разработать макетный образец электроактиватора и провести экспериментальные исследования процесса активации;

-на основе теоретических и экспериментальных исследований обосновать оптимальные характеристики электроактиватора.

Методы исследований. В работе использованы теоретические основы электрохимии, теория планирования эксперимента, методы математической статистики, вычислительная техника и графические средства персональных компьютеров.

Научная новизна. Установлена аналитическая зависимость величины водородного показателя от силы тока при получении щелочного и кислотного растворов, позволяющая оптимизировать процесс активации.

Получены оптимальные параметры воздействия электроактивированного водного раствора на посевные качества семян зерновых культур, что приводит к повышению урожайности (до 15%).

Определены характеристики электроактиватора, обеспечивающие оптимальную энергоемкость процесса.

Практическая ценность. Определены параметры процесса активации, обеспечивающие улучшение посевных качеств семян и повышение урожайности не менее чем на 15%, с минимальными энергетическими затратами.

Разработан и испытан проточный электроактиватор, обеспечивающий

3 3

производительность по щелочному раствору 0,5 м /ч, по кислотному 0,4 м /ч.

Полученные технические решения электроактиваторов агрегатируются с действующей системой машин и могут быть включены в существующие технологические линии для предпосевной обработки семян.

Экономический эффект от внедрения результатов исследований выражается в получении приведенной чистой прибыли свыше 30 тыс. рублей за год.

На защиту выносятся следующие положения:

-математическая модель оптимизации параметров процесса активации водных растворов;

-режимы процесса активации и воздействия активированных растворов на семена зерновых культур;

-методики расчета основных параметров электроактиваторных установок на основе теории электродиализа;

-требования к конструкции и эксплуатации устройств для получения электроактивированных растворов.

Реализация результатов работ и исследований. По результатам исследований разработаны способы и режимы предпосевной обработки семян, которые использованы в ОАО "Учхоз Зерновое" и АКХ "Заря" Ростовской области.

Апробация работы. Основные результаты доложены и одобрены на научно-технических конференциях АЧИМСХ и АЧГАА (г. Зерноград,1993, 1994, 1996, 1998 гг.), ВНИПТИМЭСХ (г. Зерноград, 1997, 1998 гг.), Международной научно-практической конференции, посвященной памяти академика В.П.Горячкина МГАУ (г. Москва, 1998 г.), Костромской СХИ (г. Кострома, 1989 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 11 работ, из них по теме диссертации 6 работ.

. Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и общих выводов. Она изложена на 142 стр. основного текста, содержит 42 рис., 30 табл., список литературы из 114 наименований и 2 приложения.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Роль предпосевной обработки семян в повышении урожайности зерновых культур

В настоящее время одной из важнейших задач экономического развития народного хозяйства Российской Федерации является увеличение продукции растениеводства на основе значительного повышения урожайности зерновых культур. Получение высоких урожаев связано с условиями эффективного (наиболее благоприятного) характера воздействия между собой среды возделывания (почвы) и объекта возделывания (семян) [3]. Процесс взаимодействия между собой этих двух объектов представлен на рис.1.1 [56].

Открытая термодинамическая система

I I

1 ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА ,

Обработка Посев Антропогенный Климат Уборка Обработка

почвы фактор семян

УРОЖАЙ

АГРОФИТОСИСТЕМА

Рис. 1.1.

Воздействующие на них факторы предназначены для создания наиболее благоприятных условий взаимодействия среды возделывания и объекта возделывания. Вся история растениеводства связана с тем, что земледельцы активно занимались повышением плодородия за счет различных воздействий на почву (вспашка, культивация, севообороты, удобрения, мелиорация, борьба с сорняками и т.п.). Что же касается семян, то повышение их посевных качеств в настоящее время осуществляется за счет селекции, сортирования, очистки и протравления ядохимикатами, стимуляции различными способами. Но эти операции служат лишь для поддержания данного сорта на уровне близком к стандарту.

Как показывает практика, семенной материал поступает с поля некондиционным, с микротравмами, с различной жизнеспособностью, зараженный болезнями. Если содержание семян третьего класса и некондиционных семян достигает 40%, то это означает, что около 10% высеянных семян исключено из процесса формирования урожая, и обусловленный недобор урожая не компенсиру-

«

ется ни повышенной нормой высева, ни, тем более, избыточным внесением минеральных удобрений [3].

До настоящего времени с поля поступают семена, 60% которых получают микротравмы при обмолоте в процессе уборки