автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Повышение посевных качеств семян хлопчатника в Республике Таджикистан методами предпосевного ультрафиолетового и низкотемпературного плазменного облучения

На правах рукописи #

Юлдашев Рауф Зарифджанович

ПОВЫШЕНИЕ ПОСЕВНЫХ КАЧЕСТВ СЕМЯН ХЛОПЧАТНИКА В РЕСПУБЛИКЕ ТАДЖИКИСТАН МЕТОДАМИ ПРЕДПОСЕВНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО И НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПЛАЗМЕННОГО ОБЛУЧЕНИЯ

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 СЕН 2013

005533178

Санкт-Петербург 2013

005533178

Диссертация выполнена на кафедре «Энергообеспечение производств и электротехнологий в АПК» в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный аграрный университет (ФГБОУ ВПО СПБГАУ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Карпов Валерий Николаевич (ФГБОУ ВПО СПбГАУ)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Валге Александр Мартынович

ГНУ сзниимэсх

доктор технических наук, профессор Касаткин Владимир Вениаминович ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА

Ведущая организация:

ГНУ Агрофизический научно-исследовательский институт Российской академии сельскохозяйственных наук

Защита диссертации состоится «08» октября 2013 г. в в ч.5?мин. на заседании диссертационного совета Д 220.060.06 в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете, по адресу: 196601, г. Санкт-Петербург, Пушкин, Петербургское шоссе, д. 2 (2-ой учебный корпус, ауд. 2. 719)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»

Автореферат разослан « » сентября 2013 г.

Автореферат размещен на сайтах: http://vak2.ed.gov.ru, 1Шр://5рЬ§аи. ги

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Смирнов Василий Тимофеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Хлопководство - основная сельскохозяйственная отрасль Республики Таджикистан. Основная продукция хлопка - волокно, которое является ценным экспортным материалом. В последние годы наблюдается снижение урожайности. Увеличение производства хлопка-волокна остается одной из главных задач сельского хозяйства Республики Таджикистан.

В республике с 1991г. по настоящее время урожайность хлопка снизилась с 27-28 до 14-15 центнеров с гектара, что можно объяснить в значительной мере отсутствием использования минеральных удобрений, низким качеством семенного материала и не соблюдением технологии возделывания. Однако, соблюдение технологии возделывания и внесение минеральных удобрений повышает урожайность, но не значительно, а основной причиной снижения урожайности является низкие посевные качества семян.

Причинами низкого качества семян хлопка является: -зараженность семян;

-сбор незрелых семян для посадочного материала; -повреждаемость семян при механических воздействиях; -несоблюдение технологии возделывания культуры.

В настоящее время в республике значительная роль с точки зрения повышения урожайности хлопчатника, отводится правильной и своевременной организации проведения предпосевной обработки семян, а также мероприятиям по борьбе с болезнями семян, наносящих ощутимый ущерб хлопководству республики. Для этой цели используются разные химические протравители, которые используются очень давно и достаточно исследованы, однако, ядохимикаты, наряду с защитой семян от семенной и почвенной инфекции, оказывают негативное воздействие на окружающую среду и обслуживающий персонал.

С целью повышения посевных качеств семян сельскохозяйственных культур в зарубежных странах эффективно используется ультрафиолетовое (УФ) облучение, исследованию которого посвящено большое количество работ. В Таджикистане и Узбекистане были проведены исследования по УФ облучению семян и растений хлопчатника, в результате которых обнаруживалось положительное воздействие. Но в этих исследованиях измерялось только время облучения или высота подвеса ламп, а облученность - нет из-за отсутствия измерителей, поэтому на основе этих исследований принимать решение о масштабном использовании не возможно, так как отсутствует метрика в частности, эффективные дозы облучения, без чего невозможно рассчитать установки для облучения.

В последнее время в Российской Федерации появились сведения об использовании нового вида источника физического способа предпосевной обработки семян - низкотемпературной плазмы (НТП).

Использование оптического излучения, в частности УФ облучения и излучения НТП, имеет ряд достоинств перед химическими протравителями:

1. Экологическая безопасность;

2. Существенно более низкая стоимость обработки;

3. Безопасность для обслуживающего персонала.

Технологии и установки для предпосевной обработки семян других культур УФ облучением дают положительный эффект, но не могут быть перенесены в хлопководство без предварительных исследований, т.к. не исследовано влияние на эффект облучения отличительных особенностей семян хлопка.

Использование УФ-облучения является энергозатратным, из-за того что потери электроэнергии в источниках УФ-излучения достигают 90 % (для ртутных ламп высокого давления, в частности ДРТ-240), поэтому в процессе УФ-облучения используется только 2...8 % от потребленной электроэнергии по причине неизбежных потерь в технологических схемах облучения. Доля отраслевого потребления электроэнергии в технологических процессах с использованием оптического излучения, к которым относится процесс обработки семян УФ-облучением, составляет 10... 15%. Потери же энергии в них соизмеримы с суммарными потерями в электроприводах и при электронагреве, несмотря на то, что эти установки потребляют гораздо больше электроэнергии (примерно по 40 %). Поэтому обоснование энергосберегающей технологической схемы облучения семян является весьма актуальной задачей для АПК.

Исходя из выше изложенного, необходимо проведение исследований по определению воздействия излучений УФ и НТП на посевные качества семян хлопчатника, по обоснованию технологий обработки семян с целью разработки, новых энергоэффективных установок.

Цель исследования. Научное обоснование метода и создание установки для повышения посевных качеств семян хлопчатника за счет УФ и НТП предпосевного облучения.

Задачи исследования: Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. На основе теоретического анализа осуществить выбор технологической схемы УФ облучения по показателю энергетической эффективности.

2. Провести лабораторные исследования по определению коэффициента пропускания УФ-потока через слой семян хлопчатника.

3. Экспериментально обосновать дозы УФ-облучения для наиболее доступной лампы ДРТ 240 и двух исходных физико-химических состояний семян перед обработкой на всхожесть и обеззараживание семян (сухие и замоченные).

4. Оценить в полевых экспериментах влияние УФ-облучения семян на урожайность и качество полученной продукции (качество хлопка-волокна).

5. Исследовать влияние экспозиций НТП на всхожесть, обеззараживание семян хлопчатника, урожайность и качество хлопка-волокна.

6. По результатам экспериментальных исследований разработать установку для облучения семян хлопчатника перед посевом с учетом коэффициента пропускания и особых характеристик семян хлопчатника.

7. Оценить экономическую эффективность применения предпосевной обработки семян хлопчатника УФ облучением и излучением НТП.

Объект исследования. Семена средневолокнистого хлопчатника сорта «Мехргон», как биологический приёмник оптического излучения, облучаемый с целью стимуляции, обеззараживания и повышения продуктивности.

Предмет исследования. Определение влияния доз облучения на посевные качества семян хлопчатника и качество хлопка-волокна при предпосевной обработке УФ облучением и излучением НТП, а также изучение требований к режимам технологического процесса облучения семян в установках для предпосевной обработки семян.

Методы исследований. Основными методами исследований были лабораторные исследования и полевые эксперименты. Анализ энергетического совершенствования технологических схем облучения проведен с использованием методов фотометрии, в частности, с использованием формулы Бугера-Ламберта-Бера и вектора Умова-Пойнтинга. В работе использованы элементы математической статистики, теории планирования экспериментальных исследований. Результаты исследований обрабатывались регрессионным и дисперсионным анализом, с применением прикладного пакета статистической программы EXCEL.

Реализация результатов исследовании. Полученные результаты диссертационных исследований используются в акционерном обществе открытого типа им. Э. Бойматовой, а также управлением сельского хозяйства города Канибадам, Республики Таджикистан.

Научная новизна работы и результаты, выноснмые на защиту:

1. В исследовании осуществлен интегральный (полный) подход к созданию технического средства, включающего не только выбор оборудования, но и выбор энергоэффективного технологического процесса, позволяющие заменить существующую технологию химического протравливания на экологически безопасную технологию предпосевной обработки семян хлопчатника.

2. Впервые была проведена обработка семян хлопчатника НТП облучением перед посевом, с точки зрения нового и высокоэффективного способа физического воздействия на посевной материал.

3. Экспериментально доказана эффективность предпосевной обработки предварительно замоченных семян УФ и НТП облучением в ходе лабораторных и полевых экспериментов. При облучении замоченных семян (влажностью 30%), в сравнении с сухими (влажностью 10%), увеличивается степень обеззараживания семян.

4. Выявлены практические дозы УФ и экспозиции НТП обучения семян хлопчатника, позволяющие повысить всхожесть и снизить зараженность семян, улучшить рост и развитие растений, урожайность и качество продукции.

5. Научно обоснованы основные инженерные решения специальных установок для УФ и НТП облучения семян хлопчатника, которые защищены патентами на изобретение: патент РФ № 2475010 по заявке № 2011117231; малый патент на изобретение РТ № TJ 426 по заявке №1000533.

6. Разработан способ диагностики состояния энергетических элементов установки, способ контроля и управления энергетической эффективностью, защищенный патентом на изобретение РФ № 2474942 по заявке № 2010132618.

Практическая ценность работы 1. Установлены энергетические показатели (доза и экспозиция), обеспечивающие положительные эффекты от предпосевной обработки семян хлопчатника УФ и НТП облучением, которые позволяют стимулировать всхожесть и снижать зара-

женность семян, а также повысить урожайность и технологическое качество хлопка-волокна.

2. Результаты, достигнутые в диссертационной работе, позволяют дать практические рекомендации по развитию применения, а также для более глубоких исследований УФ и НТП облучения для предпосевной обработки семян хлопчатника в Республике Таджикистан.

3. Разработаны установки для УФ облучения семян хлопчатника, которые способны обеспечить заданную дозу и равномерное распределение потока по толщине обрабатываемого слоя. Новизна технических решений подтверждена патентами.

4. Создана реальная экологически безопасная альтернатива применяемым химическим методам предпосевной обработки семян.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы обсуждались и были одобрены на научных конференциях: IV Международная научно-практическая конференция «Перспективы развития науки и образования» (Таджикский технический университет им. академика Осими 2010 г.); Международная научно-практическая конференция «Профессиональное образование и техническое знание - могущественный фактор специалиста» (Таджикский аграрный университет им. Шириншох Шоте-мур 2010 г.); Научно - практическая конференция «Современная технология - основной фактор возрождения сельскохозяйственного производства» (Таджикский аграрный университет им. Шириншох Шотемур 2010 г.); Конференция «Использование перспективных энергетических установок в ходе модернизации АПК» (Агрорусь, 2010 г.); Научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава, СПбГАУ 2011 г.; Республиканская научно-практическая конференция "Инновационные технологии, глобализация и диалог цивилизаций", посвященной 20-летию Независимости Республики Таджикистан (Технологический университет Таджикистана 2011 г.); Научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава, СПбГАУ 2012 г.

Место выполнения работы. Диссертация выполнена в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете, на кафедре "Энергообеспечение производств и электротехнологии в АПК", лабораторные экспериментальные исследования проводились базе НИИ Биотехнологии при Таджикском аграрном университете, полевые опыты проводились в НИИ Земледелие АН Республики Таджикистан.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 16 публикациях, в том числе 7 работах в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ, 2 патента РФ и 2 малых патента Республики Таджикистан на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 139 наименований, в том числе 7 на иностранных языках и приложений. Содержание работы изложено на 143 страницах, текст содержит 54 рисунок и 27 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана краткая характеристика работы, обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи исследования, показана её научная новизна и практическая значимость, также приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава «Состояние вопроса и задачи исследования» посвящена анализу существующих технологий, установок и источников оптического излучения, применяемых в предпосевной обработке семян, особенностям семян и народнохозяйственному значению хлопчатника. Представлены основные биологические изменения качества семян, лабораторная и полевая всхожесть, биометрические показатели растений, продуктивность культур в зависимости от предпосевной обработки семян.

Способы воздействия на семена с целью стимуляции очень многочисленны и разнообразны, что позволяет провести их классификацию. Существующие методы обеззараживания семян можно разделить на три большие группы: химические, физические и биологические.

Предпосевная обработка семян должна удовлетворять следующим требованием (критериям), являющимся основополагающими для применения метода в с/х производстве: 1. стимулирование роста и развития растений после предпосевной обработки; 2. подавление жизнедеятельности болезнетворных микроорганизмов; 3. экологическая безопасность.

УФ и НТП облучение удовлетворяют всем указанным критериям.

В работах A.M. Гордеева, Ю.А. Гордеева, Д.Е. Дуткевича отмечается, что в состав плазмы входят свободные электроны, ионы и нейтральные атомы, ультрафиолет, озон и т.д. Данный состав позволил использовать обработку семян НТП в наших исследованиях. Низкой температурой плазмой принято считать ионная температура которого 7}< 105 К, а высокотемпературной Т,> 10б-108К и более.

В настоящей работе не разделено излучения на составляющие т.к. это является отдельным направлением исследования и требует специального оборудования и исследований.

Существенный вклад в развитие исследований, связанных с применением ОИ в сельскохозяйственном производстве, внесли ученые Жилинский Ю.М., Козин-ский, Карпов В.Н., Сарычев Г.С., Ксенз Н.В., Савельев В.А., Абдуллин И. Ш., Кондратьева Н.П., Гордеев A.M., Гордеев Ю.А., Джанбекова Л. Р., Котов A.B., Акназаров О., Мухаммадиев А., Владыкин И.Р., Дуткевич Д.Е., Илюшина С. В., Понамарева Н.Е., Шерматов М. и другие.

Однако, в раннее проведенных исследованиях уделялось мало внимания определению дозы облучения, а также анализу технологических схем по эффективности использования потока и оценке равномерности облучения по глубине слоя семян, при этом все разработанные установки рассчитаны на другие культуры.

Исследуемые установки предпосевной обработки семян имеют ряд недостатков: 1. Не рассмотрен и не производится контроль дозы облучения, которая определяется не измерительными приборами, а временем облучения и высотой

подвеса источника излучения; 2. Не учитывается равномерность облучения по глубине слоя семян, которая приводит к перерасходу энергии и неравномерному результату.

Выше сказанные недостатки обуславливают необходимость совершенствования технологий обработки семян и устройств, а также разработки новых эффективных установок для предпосевной обработки семян, в частности, для хлопководства.

На основании проведенного анализа была поставлена цель работы и сформулированы задачи исследования.

Вторая глава «Теоретические и методические предпосылки выбора технологических схем УФ облучения», посвящена анализу технологических схем облучения по показателю энергетической эффективности их работы, влиянию дозы УФ-облучения и экспозиций НТП излучения на семена и растения.

Технологические схемы облучения необходимо исследовать с учетом распределения УФ-потока по толщине обрабатываемого материала, который убывает по экспоненциальному закону Бугера-Ламберта-Бера:

Ф^Фо-еЛ (1)

где Ф0 - интенсивность УФ излучения, падающего на поверхность, Ф - интенсивность на глубине И, а - постоянный коэффициент ослабления потока УФ излучения.

Из практически широко применяемых технологий облучения семян используется единственная технологи-

ш

П

ческая схема, в которой обрабатываемая среда движется горизонтально, а поток падает перпендикулярно (облучение слоя семян на транспортере). Данной техноло-фь гии присуще одно основное противоречие: при повы-

шения качества облучения приходится уменьшать тол-Рис. 1. Пропускание по- щину слоя семян, облучаемого УФ-потоком, в резуль-тока излучения Фо веще- хате чег0 повышаются потери потока, поглощаемого ством толщиной Ь. подложкой, а при сохранении большой толщины слоя

снижается равномерность обработки, с одновременным уменьшением доли потока поглощаемого подложкой.

При одностороннем облучении параллельный поток излучения, падающий на слой семян, расположенный на глубине Ьк, убывает за счет поглощения по глубине Ьь и в соответствии с (1) составляет:

фк = ф0е"аг-* (2)

где Ц - расстояние от поверхности слоя семян до к-го слоя, см. Облученность к-го слоя семян составит:

ф«^ (3) к 5

где Б - площадь сечение к-го слоя семян, см2.

При этом облученность к-го слоя всегда будет меньше чем облученность верхнего слоя ЕК<Е0.

Применяемая технологическая схема не учитывает формулу Бугера (1), соответственно не обеспечивает равномерность облучения по глубине обрабатываемо-

го материала. Поэтому возникает необходимость поиска более эффективных технологических схем облучения.

На кафедре ЭОП и ЭТ в АПК был проведен анализ технологических схем по показателям энергоэффективности:

1. Схема двустороннего облучения (рис. 2);

2. Схема кольцевого облучателя, излучающего внутрь кольца (сходящегося к центру) (рис. 3);

3. Схема объемного облучения семян во взвешенном состоянии (рис.4).

4. Схема облучения сыпучего материала на конвейере реализующая принцип послойного удаления семян из зоны облучения (рис. 5).

5. Схема с коллинеарным направлением векторов скорости движения облучаемой среды и потока УФ-излучения (рис. 6).

Рис. 4. Схема объемного облучения семян во взвешенном состоянии.

в/

Рис. 5. Схема облучения сыпучего материала на конвейере реализующая принцип послойного удаления семян из зоны облучения.

л<\ ф" 1=1 V-

¿-3

-ж

Рис. 6. Схема с коллинеарным направлением векторов скорости движения облучаемой среды и УФ-потока.

Использование двустороннего облучения (рис. 2) повышает равномерность распределения облученности по всей глубине обрабатываемого материала за счет складывания двух потоков (рис. 7).

При двухстороннем облучении суммарный поток Ф, наружном слое будет равен сумме двух потоков:

ф± = ф0 + Ф„е-а1' = ф0(1 + е-а10 (4)

где Фо -поток излучения, падающий на наружный слой семян от ближнего источника, Вт; Ф0е~а1-поток от противоположного источника, прошедший через слой семян толщиной Ь и падающий на наружный слой, Вт.

Если площадь наружного слоя облучаемой поверхности Б тогда облученность составит:

Ек = (5)

Облученность к-го слоя зависит от суммы двух потоков, по сравнению с односторонним облучением, равномерность облучения улучшается (рис. 7).

суммарная облученность Рис.7. Распределение потока излучения в обрабатываемом материале при двустороннем облучении. 1-распределения потока излучения в материале от левого излучателя. 2- рас-Фо пределения потока излучения в материале от правого излучателя.

Проведенные на кафедре ЭОП и ЭТ в АПК расчеты показали, что данная технологическая схема облучения позволяет повысить коэффициент полезного использования потока на 20-25%.

Кольцевой объемный облучатель (рис. 3) направляет сходящийся к центру плоский поток излучения на цилиндрический объем облучаемого материала. Наружный радиус потока материала г. Поток излучения, приходящий к поверхности материала, Фо-

Для оценки изменения облученности учитываются условные величины поверхности цилиндров материала с радиусом гх (гх < г) и высотой образующей Ь внутри объема обрабатываемого материала. Облученность наружной поверхности цилиндра материала Е0 = Фо/2-ятЬ. Поток излучения, падающий на поверхность цилиндра с радиусом основания гх, уменьшается по сравнению с Ф0 за счет поглощения в слое материала толщиной г - гх и составит:

Поэтому, при радиусе гх:

Ф. =Ф„

Е„=Ф°

а-(г-0

а.(г-0

(6)

(7)

(8)

2 • я ■ гх • Ь

Взяв соотношение двух облученностей и введя обозначение к = г / гх получим:

Е0

Из выражения (8) следуют две противоречивые тенденции с уменьшением гх (увеличением к): относительное значение облученности растет за счет увеличения пространственной плотности сходящегося потока (сомножитель к) и уменьшается за счет поглощения (сомножитель е"аг° |/к)). Преобладание одной из этих тенденций определит общий характер зависимости по всей толщине. Вторая тенденция определяется не только величиной радиуса, но и по* у ,'/—- " казателем поглощения а обрабатываемого материала. Рис. 8. Зависимость относи- Рассчитаны зависимости Ех/Е0=А[гх) для четы-

тельной облученности цилин- рех значений а (0; 1/г; 1/0,5г; 1/0,1 г;), показанные на дрических слоев материала рис. 8. при различных коэффициентах поглощения.

\

\ \

\ \

< ч

ч 3 Е=

/

✓

- /

Их оказалось достаточно для получения предварительных заключений, так как они охватывают все возможные закономерности: непрерывного роста облученности с уменьшением радиуса (кривые 1 и 2), непрерывного уменьшения (4) и промежуточной закономерности (3). Наиболее интересен третий случай, когда кривая имеет минимум. Оказалось, что на глубине от г до 0,1 г облученность изменяется сравнительно мало в пределах 1,2Е0 до 0,75Ео. Это дает основание при соответствующем подборе параметров объемного облучателя в зависимости от свойств материала ожидать равномерной его обработки по глубине. Здесь подобное изменение облученности получилось при показателе поглощения материала а=1/0,5г т.е. для материала в котором поток уменьшается в 2,7 раза в слое толщиной 0,5г. По результатам расчетов данная технология на 70-75% эффективнее, чем широко применяемая технология.

Достаточно низкие потери потока достигаются за счет формирования в облучаемом слое материала такой формы пространственной плотности УФ-потока которая позволяет компенсировать ослабление потока энергии в результате поглощения за счет увеличения пространственной плотности потока.

Схема объемного облучения семян во взвешенном состоянии (рис. 4) позволяет при соответствующем подборе параметров облучателя получить необходимую облученность по глубине слоя материала. Движение частиц взвешенного в установке материала носит хаотический характер, поэтому количество лучистой энергии, полученное отдельной частицей, определяется не только случайной ориентацией каждой частицы в пространстве, но и затененностью от соседних частиц, расположенных также случайным образом в пространстве. Данная технология может быть рассчитана как двусторонняя, но в отличие от нее она обеспечивает более равномерное облучение материала по всему обрабатываемому объему. По сравнению с широко применяемой технологией коэффициент полезного использования потока повышается до 50 %.

Схема облучения материала на конвейере (рис.5), реализующая принцип послойного удаления семян из зоны облучения может быть использована для облучения сыпучих материалов. В промежутках между облучателями у поверхности облучаемого материала расположены устройства, осуществляющие съем верхнего облученного слоя необходимой толщины. После каждого съемного устройства высота подвеса следующего облучателя над транспортером уменьшается. Выбрав определенную толщину слоя, в пределах которой неравномерность поглощаемого потока излучения незначительна, можно обеспечить весьма высокое качество объемного облучения обрабатываемого материала. Это качество согласуется с высокими энергетическими характеристиками процесса, так как пропущенное снимаемым слоем излучение не теряется, а поглощается нижележащими слоями материала.

Данная технология имеет сложную конструкцию, в которой используется много оборудования, она требует специальных расчетов облучателей и настроек для снимания слоя семян, усложняется контроль равномерного распределения потока по глубине слоя семян. Поэтому технологически и технически данная технология трудно реализуема.

Схема с коллинеарным направлением векторов скорости движения обрабатываемого материала и УФ-потока позволяет проводить процесс облучения, в котором потери энергии УФ излучения практически сводятся к нулю, при сохранении высокой равномерности облучения материала и ее повышении до физически возможного предела.

При движении слоев материала навстречу облучающему потоку (вверх) частота удаления Г верхнего слоя из зоны облучения будет определяться выражением (9).

где Фо — падающий равномерно на поверхность материала параллельный поток, Вт; СЫ - нормированная доза облучения с учетом допустимой неравномерности облучения, Дж/м2.

Скорость движения облучаемого материала V определяется выражением:

у = (10)

где Ь; - толщина слоя, обеспечивающая требуемую неравномерность, м.

Таким образом, точность дозы облучения (эффективность облучения) обеспечивается сочетанием двух величин: величиной падающего на поверхность потока Ф0, и высотой элементарного слоя, снимаемого с поверхности объема материала в единицу времени, определяющей общую скорость перемещения среды.

На основании анализа приведенных технологических схем установлены наиболее эффективные технологии: кольцевое облучение, двустороннее облучение, облучение во взвешенном состоянии и схема с коллинеарным направлением векторов скорости движения среды и УФ потока. В данных технологических схемах показатель эффективности выше, чем в широко применяемых технологиях.

Для того чтобы окончательно определиться с выбором технологий, у которых показатель эффективности зависит от коэффициента пропускания УФ-потока (показатель ослабления «а»), необходимо определить данный показатель для семян хлопчатника. Для этого была собрана установка и проведены лабораторные исследования: над УФ-радиометром устанавливалось кварцевое стекло, на которое в один слой укладывались семена, и проводилось измерение под источником излучения (лампа ДРТ-240).

В связи с тем, что прошедший поток составил 5% от падающего на слой семян, при этом в него вошел как поток пронизывающий семя так и прошедший сквозь линт. По таким результатам определить коэффициент поглощения «а» невозможно. Поэтому на основании этих измерений и на основании узбекских и таджикских ученых принята точка зрения о том, что слой семян хлопка только поглощает УФ (но почти не пропускает). На этом основании следует ожидать эффекта облучения как на поверхности семян (обеззараживание, т.к. патогенны сосредоточены на поверхности семян), так и внутри (биостимуляция).

Для семян с выше сказанными свойствами из проанализированных технологических схем могла бы подойти технологическая схема объемного облучения во взвешенном состоянии. Поэтому дополнительно был проведен эксперимент по

определению эффективности данной технологии. Автором была собрана установка (рис.9), которая состояла из камеры облучения, вентилятора, облучателя с ПРА, УФ радиометра и таймера. Камера облучения выполнена в виде канала с расширяющимся по высоте прямоугольным сечением. Расход воздуха регулировался с помощью заслонок у вентилятора.

На данной установке были проведены лабораторные исследования по определению эффективности данной технологии. Установлено, что метод облучения семян во взвешенном состоянии не подходит для семян хлопчатника т.к. при средних скоростях поток воздуха поднимает семена в камеру облучения, но при соприкосновении семян между собой они сцепляются друг с другом из-зи наличия линта, что приводит к образованию комков, которые падают вниз, а если увеличивать скорость потока воздуха, тогда семена вылетают из камеры облучения.

По результатам проанализированных схем и лабораторных исследований можно сделать заключение, что рассмотренные схемы облучения эффективны для материалов с высоким коэффициентом пропускания.

Наиболее подходящей схемой для облучения для семян хлопчатника является двухстороннее (без переворачивания в зоне облучения) или одностороннее однослойное облучение с переворачиванием семян. Наиболее оптимальный обрабатываемый слой семян - это слой в одно семя.

Рис. 9. Устройство для объемного облучения семян во взвешенном состоянии

Применение непрерывного контроля УФ облучения позволяет повысить качество контроля и точность поддержания дозы облучения, она достижима при использовании облучательных установок с автоматической системой управления, которая поддерживает дозу на заданном уровне.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований можно сказать, что для семян хлопчатника должна быть разработана специальная установка, которая обеспечивает равномерное облучение по поверхности семян, контроль дозы облучения и однослойную равномерную подачу семян.

В третьей главе «Приборы и методики экспериментальных исследований» описывается используемые приборы и методики экспериментальных исследований.

Всхожесть семян хлопчатника определяется согласно ГОСТ 21820.1-76. Семена проращиваются по 100 семян в четырехкратной повторное™. Проращивание проводится в Чашках Петри, в термостатах, при температуре 20 ±2°С в темноте.

Наряду со всхожестью в те же сроки подсчитывают среднюю зараженность семян. Зараженные семена имеют ряд показателей, по которым можно определить, например, бурый цвет ростков, слизь на поверхности всходов, плесень на семенах и т.д. Вид болезни определяется путем высадки зараженных семян в питательный раствор на основе картофельного агара в чашках Петри.

Полевые исследования проводились в 4-х кратной повторности, делянками по Юм, для получения максимального эффекта был использован метод рендоми-зации.

Длина волокна определяется на одном из приборов: на механических приборах МШУ-1, МПРШ-1 или на электронном приборе Алметр. Линейная плотность (толщина) и разрывная нагрузка хлопкового волокна основано на применении приборов МШУ-1, МРВ-1 и ПСВ-1, а также динамометра ДШ-ЗМ.

Во время проведения исследований измерение УФ излучения проводилось при помощи УФ радиометра ТКА-ПКМ 12 (рис. 10а). Прибор является одним из последних разработанных измерительных устройств, который предназначен для измерения интенсивности УФ излучения в трех диапазонах волн: «А» 315-400 нм, «В» 280-315 нм, «С» 200-280 нм, погрешность измерения для источников УФ-излучения не более 5%.

Портативный плазменный аппарат «Мультиплаз-2500М» является генератором НТП, полученной путем нагрева до температуры ионизации паров рабочей жидкости (вода), заливаемой в горелку перед проведением работ. Аппарат состоит из блока питания и плазменной горелки (рис. 10 б).

Использование в качестве основного рабочего тела обыкновенной воды и конструкция горелки, которая образует плазму из водяного пара, сделали процес-

окружающей среды.

Рис.10.

а) УФ-Радиометр «ТКА-ПКМ 12»

б) плазменный генератор Мульти-плаз-2500

В четвертой главе «Экспериментальные исследования по определению влияния воздействия предпосевного УФ и НТП облучения семян на всхожесть, зараженность, рост, развитие, урожайность и качество хлопчатника» приводятся экспериментальные лабораторные и полевые исследования по определению влияния воздействия предпосевного УФ и НТП облучения семян хлопчатника.

УФ-облучение семян проводилось лампой ДРТ 240, при облученности УФ=51 Вт/м2, а обработка НТП - плазменным генератором Мультиплаз 2500, при расстоянии от сопла до семян 45 см. Обработка проводилась в один слой семян.

Основное внимание при проведении экспериментальных исследований было уделено определению влияния УФ-облучения и излучения НТП на обеззараживание и одновременное стимулирование семян хлопчатника.

Лабораторными исследованиями были определены влияние дозы УФ-облучения в зависимости от влажности семян (сухие 10% и замоченные 30 %) на

сы плазменной обработки безвредными

качество семенного материала, всхожесть и зараженность. Результаты в процентном соотношении по сравнению с контрольным вариантом приведены на рис. 11,

12.

Всхожесть семян хлопчатника

всхожесть семян,% (замоченные)

15,3 30,6 45,9 61,2 91,8

Доза УФ обработки, кДж/м2

Рис. 11. Изменение всхожести сухих и замоченных семян хлопчатника обработанных У Ф-излучением

Из рис. 11 видно, что предпосевная обработка семян в сухом (влажность 10 %) и замоченном виде (влажность 30 %) практически одинаково влияют на всхожесть семян.

Зараженность семян хлопчатника

34 32 30

н 28 3 26 =-24 « 22 I 20 1 18 Й 16 £ 14 £ 12 ¡.10

4

2 0

контрольный вариант

' зараженность, шт (сухие)

•зараженность семян, шт (замоченные)

30,6 45,9 61,2

Доза УФ обработки, кДж/м2

Рис. 12. Изменение зараженности сухих и замоченных семян хлопчатника обработанных УФ-облучением

Из рис. 12 видно, что все исследуемые дозы УФ облучения влияют на обеззараживание, но по-разному на сухие и замоченные семена. Так например, по сравнению с контрольным вариантом (32 шт. семян), при УФ облучении дозой 61,2 кДж/м2 наблюдается снижение зараженности почти на 7 шт. семян (21 %) в сухом виде, и на 20 шт. семян (62,5 %) в замоченном виде. Отсюда следует, что предварительно замоченные семена перед облучением примерно в три раза лучше обеззараживаются по сравнению с сухими семенами. Можно предположить, что зама-

чивание семян позволяет лучше проникать УФ потоку, т.к. линт прилипает к поверхности семени, вследствие чего семена лучше обеззараживаются.

Полученные результаты экспериментов позволили получить уравнения регрессии, которые описывают эффект от УФ облучения семян. Если учитывать зараженность семян, то зависимость имеет вид:

Ув = 87,2 + 0,0604X1 + 0,0075 Х2, при Я = 0,623 ± 0,01 (11)

Уз = 39,69 - 0,0998Х] - 0,71 Хг, при Я = 0,98 ±0,01 (12)

Уз-зараженность, шт; Ув-всхожесть, %; Х,-доза УФ облучения, кДж/м2; Х2-влажность семян, %.

Уравнения регрессии позволили определить, что увеличение дозы УФ облучения и увеличение влажности оказывают положительное действие на всхожесть и угнетающее воздействие на зараженность семян.

По всхожести семян больший стимулирующий эффект получен также при облучении во влажном состоянии семян. В данном опыте чётко прослеживается зависимость эффекта от дозы обработки.

Для определения границ эффекта доз УФ-облучения экспериментальные исследования были продолжены, полученные результаты приведены на рис. 13.

Всхожесть семян хлопчатника, %

95 £ 90 « 85

I 80 ^

а 75

I 70

" 65 60

а

90 \ 1,5 к — н > — —< 91 - —

.....— *>--89

А 77,5

\

\

* 64

контрольный вариант

■ Всхожест

ь семян,

%

61,2 91,8 122,4 153 Доза УФ обработки, кДж/м2

183,6 229,5 275,4

Рис. 13. Всхожесть семян хлопчатника обработанных УФ облучением

Из рис.13 можно сказать, что стимулирующий эффект обработки проявляется до определенного момента (до дозы 122,4 кДж/м2), после которого начинает проявляться снижение всхожести семян.

ь 36 3 32 х 28

1 24

0

2 20 6 16

1 12 I 8

I 4

£ о

Зараженность семян хлопчатника

1Я 5

Я. 4 5

10

— 6 6 5

■ Количество заражен ны х семян, шт

45,9 61,2 91,8 122,4 153 Доза УФ обработки, кДж/м2

183,6 229,5 275.4

Рис. 14. Зараженность семян хлопчатника обработанных УФ облучением

Из рис.14 можно сказать, что чем больше доза облучения, тем обеззараживание лучше, но есть граница эффекта после которого всхожесть начинает снижаться.

НТП обработка является эффективным способом предпосевной обработки семян, положительно влияя на семена, стимулируя их развитие и снижая зараженность. Изменение всхожести и зараженности семян в процентном соотношении с контрольным вариантом приведены на рис. 15.

Всхожесть семян хлопчатника

94 93 ! 92 ; 91 ; 90

92,25

_9^,7

• Всхожесть семян, %

контрольный вариант

Экспозиции НТП обработки, минут

Рис. 15. Всхожесть семян хлопчатника обработанные НТП Из рис. 15 видно, что излучение НТП повышает всхожесть семян. После обработки семян НТП с экспозицией 6 минут всхожесть по сравнению с контролем увеличилась почти на 4 %, а при экспозиции 10 всхожесть семян при этом практически не изменилась.

50 3 45 ¿40

. 35

г зо

г25 ё 20 £ 15

X ю

Ё. 5

3 0

Зараженность семян хлопчатника

контрольный вариант

1 Количество зараженных семян, шт.

Экспозиции НТП обработки, минут

Рис. 16. Зараженность семян хлопчатника обработанные НТП

Из рис. 16 видно, что после обработки с экспозицией 6 минут зараженность снизилась на 24 шт. семян (38,8 %). Большие экспозиции позволяют лучше обеззараживать, но при этом снижается всхожесть семян.

Для получения подтверждения результатов лабораторных исследований были проведены полевые исследования в опытных полях НИИ Земледелия АН РТ, в Гиссарском районе в 2010-2012 годах.

Урожайность хлопчатника в полевых опытах 2011 года, в процентном соотношении по сравнению с контрольным вариантом приведена на рис. 17.

Урожайность хлопчатника

□ Увеличение урожайности по сравнению с контролем %

48,1

42,3 44'7

Эталон УФО, 45,9 кДж/м2 УФО, 61,2 кДж/м2 НТП, 6 минут

(протравитель, хим

обработка) Вил обработки

НТП, 10 минут

Рис. 17. Увеличение урожайности хлопчатника

Урожайность хлопчатника в контрольном варианте составила 37,6 ц/га. Обработка семян УФ облучением дозой 61,2 кДж/м2 позволило улучшить урожайность на 44 %, а при обработке НТП с экспозицией 6 минут на 48 %, а химическая обработка (эталон) на 34%. Это свидетельствует о несомненной перспективности УФ и НТП в подготовке семян к посеву, которые являются экологически чистыми способами обработки.

Обработка НТП при экспозиции 6 минут проявляет больший эффект, где прибавка выхода составила 7 %, а при обработке УФ облучением дозой 61,2 кДж/м2 прибавка выхода волокна составила около 4%.

Для определения качества полученного урожая были проведены лабораторные исследования по оценке качества хлопка-волокна в зависимости от обработки, результаты исследований приведены на рис. 18.

к Технологическое качество волокна

и

£ а Улучшение штапельной длины по сравнению с контролем, %

о

о □ Улучшение разрывной нагрузки по сравнению с контролем %

в

ш □ Улучшение разрывной длины по сравнению с контролем %

Эталон (протравитель, хим. обработка)

УФО, 45,9 кДж/м2

УФО, 61,2 кДж/м2

Вид обработки

НТП, 6 минут НТП, 10 минут

Рис. 18. Технологическое качество хлопка-волокна

Из рис. 18 видно, что разрывная нагрузка и разрывная длина по сравнению с контрольным вариантом имеют лучший результат при УФ облучении дозой 61,2 кДж/м2 и НТП экспозицией 6 минут, которые по сравнению с контролем и химической обработкой являются эффективными.

В пятой главе «Разработка установки для предпосевной обработки семян хлопчатника облучением» представлено разработанное устройство, структурная схема технологического процесса биоактивации семян, а также способ диагностики состояния контроля и управления энергетических элементов.

По результатам теоретических, лабораторных и полевых исследований была разработано устройство для предпосевной обработки семян хлопчатника, которое приведено на рис. 19.

Рис. 19. Устройство для предпосевной обработки УФ облучением (Малый патент ЖП 426): 1 -загрузочный бункер, 2-семена хлопчатника, 3-датчик наличия семян, 4-дозатор, 5-загрузочное окно, 6-транспортер, 7-привод дозатора, 8-ведущие валы, 9-зубчатые шестерни, 10-шкив, 11-ременная передача, 12-привод транспортера, 13-ведомые валы, 14-пружинные растяжки, 15-источники излучения (УФ лампы), 16-отражатель, 17-пускорегулирующая аппаратура, 18-блок контроля и управления, 19-задатчик режимов, 20-реле времени, 21-УФ радиометр, 22-выгрузное окно, 23-приемный бункер, 24-источник питания. Транспортеры выполнены из материала прозрачного (пропускающего) на УФ, между ними имеет регулируемый зазор АБ, величина которой зависит от сорта (размеров) семян.

Данное устройство позволяет равномерно с двух сторон облучать семена с заданной дозой. Устройство предназначено только для облучения семян хлопчатника. Опушенность (линт) семян хлопчатника позволяет цепляться между собой и за транспортеры, что приведет к равномерному движению семян.

Также для предпосевной обработки семян разработана специальная установка, которая представлена на рис. 20.

2475010) состоит: 1-нижний транспортер,2-электропривод нижнего ленточного транспортера; 3- источник УФ-излучения; 4-кожух источника УФ-излучения; 5-верхний транспортер; 6-загрузочный бункер; 7-бункер приемки семян; 8-датчик определения дозы облучения; 9-блок контроля и управления; 10-дозатор; 11-датчик наличия семян; 12-электропривод дозатора; 13-реле времени; 14-электропривод верхнего транспортера; 15-задатчик режима работы; 16-

пускорегулирующая аппаратура; 17, 20-ведущие валы; 18, 21-ведомый валы; 19-растяжка; 22- источник питания.

Дозу или количество облучения Н [Дж/м2], которое получают семена за время перемещения под источником излучения на поверхности транспортера можно найти следующим способом:

Н = Е ■ ^ (Дж/м2), (13)

где Е-облученность, Вт/м2; (-время обработки, с.

Время обработки будет зависеть от скорости движения нижнего и верхнего транспортеров.

Скорость движения семян Ус по транспортеру можно рассчитать по следующей формуле:

(14)

где У2-скорость нижнего транспортера, м/с; V]-скорость верхнего транспортера, м/с.

Динамика движения семян в транспортере определяется по формуле:

05)

П = со-1 (16)

где А — угол поворота семян за время пребывания в устройстве (радиан); — радиус семени, м.

Количество вращений семян К можно определить по следующей формуле:

К _ Д _ *двс _ 5 (У2-У,) _ 2Б (Уг-УО _ 5-(У2-УО

2л 211 Уе-гп-Лс (Уг+У!)^«!^ (Уг+У,)^^ ' '

Время движения семян 1ДВС будет зависеть от длины транспортера и скорости движения семян по транспортеру:

_ Б _ 2Б двс ~ Ус ~ У^+УГ

где 8 - длина транспортера, м.

Отсюда, количество вращений семян при облучении будет зависит от следующих параметров: У2, У1( Б.

Кинематика передвижения семени приведена на рис. 21.

л—-

: Рис. 21. Кинематика передвижения семян

Результат заключается в равномерности облучения семян, который достигается за счет того, что дозатор равномерно подает семена на транспортер. Скорость движения верхнего транспортера регулируется и может работать в реверсном режиме. Зазор между транспортерами зависит от размера семени. За счет разницы скоростей движения транспортеров семена будут совершать вращательное движение (крутиться), и тем самым, достигается равномерное облучение семян по всей поверхности. Наличие семян в бункере определяется с помощью датчика

наличия семян, который управляет включением устройства в работу. Блок контроля и управления задает режим работы устройства.

Данное устройство по сравнению с применяемыми в практике облучателями отличается тем, что позволяет в автоматическом режиме определять дозу облучения, более равномерно облучать семена, которое достигается за счет использования разных скоростей верхнего и нижнего транспортера, безопасностью при эксплуатации, существенной экономичностью. Предлагаемая установка позволяет производить обработку крупных семян, например, хлопчатник, кукуруза, фасоль и т.п.

На протяжении срока службы у ламп поток излучения постепенно уменьшается до 50-60 % от начального, поэтому для эффективного использования потока ламп в процессе работы установок на кафедре ЭОП и ЭТ в АПК был разработан способ диагностики состояния энергетических элементов установки, способ контроля и управления энергетической эффективностью, заключающийся в измерении энергии на входе к потребителю, контроле режима работы энергетического оборудования и архивирование их параметров.

Разработанный способ, позволяет сравнивать потери на элементе в зависимости от нагрузки, изменяющейся во времени и определять увеличение потерь энергии на элементе. Определяют нагрузку, создающую максимальные потери энергии, являющуюся наиболее энергоемким режимом, при котором ухудшение состояния элемента сказывается на потерях в наибольшей степени в данном энерготехнологическом процессе.

В шестой главе «Определение экономической эффективности применения УФ и НТП облучения для предпосевной обработки семян хлопчатника» произведена оценка экономической эффективности использования предпосевной обработки семян УФ и НТП облучением.

Чистый доход от предпосевной обработки в контрольном варианте составил 40820 рублей, при урожайности 37,6 ц/га. По сравнению с контролем обработка протравителем (эталон) улучшила урожайность на 34,8 %, чистый доход составил 66165 рублей. Обработка УФ облучением дозой 61,2 КДж/м2, улучшила выход продукции на 44,7% а чистый доход составил 73480 рублей. При обработке НТП с экспозицией 6 минут выход продукции улучшился на 48,1 %, а чистый доход составил 76035 рублей. С экономической точки зрения методы обработки семян хлопчатника УФ и НТП облучением эффективны и оправдывают своё применение.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Доказано, что при УФ облучении семян необходим выбор не только оборудования, но и технологической схемы (технологии) облучения с учетом свойств семян как поглощающей среды.

2. Экспериментально установлено, что семена хлопчатника, имеющие линт и твердую кожуру, слоем в одно зерно практически полностью поглощают УФ излучение, что не позволяет применять многослойные технологии и использовать показатель ослабления потока «а» при расчетах установок.

3. Определена экспериментально (для наиболее доступных в республике ламп ДРТ-240) практическая доза УФ облучения, составляющая 61,2 кДж/м2 для пред-

варительно увлажненных семян и обеспечивающая обеззараживающий эффект (на 62,5 %) и увеличению всхожести (на 8 %). При использовании низкотемпературной плазмы установлена предпочтительная экспозиция 6 минут (при расстоянии от сопла до семян 45 см) позволяющая обеззараживать семена (на 38,8 %) и повышение всхожести (на 4 %) .

4. Установлено положительное влияние предпосевного УФ облучения и излучения НТП семян хлопчатника на урожайность и качество хлопка волокна по сравнению с контрольным вариантом.

УФ облучение дозой 61,2 кДж/м2:

-увеличение урожайности на 16,8 ц/га (44%).

-улучшение технологического качества хлопка-волокна:

разрывная нагрузка на 0,3 г.с. (6,7%); разрывная длина на 2,8 км (11,3%).

Обработка НТП с экспозицией 6 минут:

-увеличение урожайности на 18,1 ц/га (48,1%).

-улучшение технологического качества хлопка-волокна:

разрывная нагрузка на 0,2 г.с. (4,4 %); разрывная длина на 2,6 км (10,5 %).

5. По результатам исследований разработаны специальные установки для эффективного облучения семян хлопчатника, реализующие технологии однослойной обработки двусторонним и односторонним облучением с оборачиванием семян в зоне облучения. Установки позволяют в автоматическом режиме поддерживать дозу облучения на заданном уровне.

6. Чистый доход в хозяйстве с 1 га от предпосевной обработки в контрольном варианте составил 40820 рублей, при обработке УФ облучением дозой 61,2 кДж/м2, составил 73480 рублей, а обработка НТП с экспозицией 6 минут, составил 76035 рублей. С экономической точки зрения методы обработки семян хлопчатника УФ и НТП облучением эффективны и оправдывает своё применение.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Юлдашев Р.З. Задачи и метод энергосбережения в потребительских установках АПК / Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш., Юлдашев Р.З.// ВЕСТНИК КрасГАУ -2010. -№4. Красноярск. - С. 144-149.

2. Юлдашев Р.З. О некоторых положениях математической энергетики / Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш., Юлдашев Р.З.// ИЗВЕСТИЯ СПбГАУ. -2010. -№19. - С. 294-299.

3. Юлдашев Р.З. Система контроля и управления энергопотреблением в энерготехнологических процессах / Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш., Мирзоев Ш.И., Юлдашев Р.З.// Вестник Таджикского технического университета. -2010. -№3 (11). -С. 47-50.

4. Юлдашев Р.З. Влияние УФ излучений в борьбе с семенной инфекцией предпосевным облучением семян хлопчатника / Султанова М.Х., Юлдашев Р.З.// Теоретический и научно-практический журнал «КИШОВАРЗ». -2011. -№1. - С. 1416.

5. Юлдашев Р.З. Исследование экологически чистых и энергосберегающих УФ и плазменных технологий для предпосевной обработки семян / Юлдашев Р.З.// ИЗВЕСТИЯ СПбГАУ. -№25. -2011. - С. 343-348.

6. Юлдашев Р.З. Основные принципы работы и компоненты современных об-лучательных установок, предназначенных для предпосевной биоактивации семян / Гордеев Ю.А., Юлдашев Р.З.// Известия международной академии аграрного образования. СПбГАУ. -2012. -№13 том 2. СПб, - С. 23-26.

7. Юлдашев Р.З. Использование низкотемпературных плазменных технологий в предпосевной обработке семян хлопчатника / Юлдашев Р.З.// ИЗВЕСТИЯ СПбГАУ. -2012. -№28. - С. 391-394.

Публикации в других изданиях

8. Юлдашев Р.З. Способ контроля и управления энергопотреблением / Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш., Юлдашев Р.З.// Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 7-й Международной научно-технической конференции. - Часть 1. Проблемы энергообеспечения и энергосбережения. ГНУ ВИЭСХ. -

2010. Москва.-С. 208-212.

9. Юлдашев Р.З. Контроль и управление энергопотреблением в энерготехнологических процессах / Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш., Юлдашев Р.З.// Сборник научных трудов «Институт Земледелия» Академии сельскохозяйственных наук Республики Таджикистан. Том VI. Душанбе: «Ирфон». -2011. -С.71-75.

10. Юлдашев Р.З. УФ-обеззараживание семян хлопчатника перед посевом / Юлдашев Р.З.// Научное обеспечение развития АПК: проблемы и решения. Сбор, научн. трудов. Материалы научной конфер. проф. препод, состава, СПбГАУ. -

2011. СПб.-С.375-377.

11. Юлдашев Р.З. Использование технологий оптического излучения для предпосевной обработки семян / Юлдашев Р.З.// Проблемы и перспективы инновационного развития мирового сельского хозяйства: Материалы II Международной научно-практической конференции. «Саратовский ГАУ». - 2011. - С. 292-293.

12. Юлдашев Р.З. Предпосевная обработка семян плазменными технологиями / Юлдашев Р.3.//Вклад науки в инновационном развитии регионов Республики Таджикистан: материалы республиканской научно-практической конференции. Технологический университет Таджикистана. -2012. - С. 29-31.

Патенты

13. Пат. № 2475010 РФ. Устройство для предпосевной обработки крупных семян / Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш., Юлдашев Р.З.; - №2011117231, Бюл. №31, 2012 г.

14. Пат. № 2474942 РФ. Способ диагностики состояния энергетических элементов, контроля и управления энергетической эффективностью потребительских энергетических систем /В.Н. Карпов, З.Ш. Юлдашев, Р.З. Юлдашев, Н.В. Карпов, Ю.А. Старостенков. -№2010132618; Бюл. №4, 2012 г.

15. Малый патент № ТЛ 426 Республики Таджикистан. Устройство для предпосевной обработки семян хлопчатника ультрафиолетовым облучением / В.Н. Карпов, Р.З. Юлдашев, Н.В. Карпов, 3. Ш. Юлдашев. - №1000533. Бюлл. №62 (2), 2011.

16. Малый патент №ТЛ 370 Республики Таджикистан. Способ энергоаудита в потребительских энергетических системах / В.Н. Карпов, З.Ш. Юлдашев, Н.В. Карпов, Р.З. Юлдашев. -№1000495. Бюл. №59(3).

Подписано в печать 22.08.13 г. Формат 60 х 84 'Лб. Гарнитура «Times New Roman». Печать ризография. Тираж 100 экз. Заказ № 62 ФГБОУ ВПО «Санкт - Петербургский государственный аграрный университет», 196601, Санкт - Петербург - Пушкин, Петербургское шоссе 2.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (ФГБОУ ВПО СПбГАУ)

ПОВЫШЕНИЕ ПОСЕВНЫХ КАЧЕСТВ СЕМЯН ХЛОПЧАТНИКА В РЕСПУБЛИКЕ ТАДЖИКИСТАН МЕТОДАМИ ПРЕДПОСЕВНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО И НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПЛАЗМЕННОГО ОБЛУЧЕНИЯ

Специальность 05.20.02 - «Электротехнологии и электрооборудование в

сельском хозяйстве»

04201362281

На правах рукописи

ЮЛДАШЕВ РАУФ ЗАРИФДЖАНОВИЧ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор В.Н. Карпов

Санкт-Петербург-2013

СОДЕРЖАНИЕ стр.

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ............................................................10

1.1. НАРОДНО-ХОЗЯЙСТВЕННОЕ ЗНАЧЕНИЕ ХЛОПЧАТНИКА В РЕСПУБЛИКЕ ТАДЖИКИСТАН......10

1.2. СУЩЕСТВУЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР...............................................................................................................11

1.3. СУЩЕСТВУЮЩИЕ УСТАНОВКИ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН УФ И ПЛАЗМЕННЫМ ОБЛУЧЕНИЕМ С ИМЕЮЩИМСЯ ОПЫТОМ ОБРАБОТКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР......23

1.4. ИСТОЧНИКИ УФ И НТП ИЗЛУЧЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН.........................................................................................................................................................................34

1.5. ОСОБЕННОСТЬ СЕМЯН ХЛОПЧАТНИКА КАК ОБЪЕКТА ОБЛУЧЕНИЯ...............................................39

1.6. ВЫВОДЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................................................................42

ГЛАВА 2.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ВЫБОРА • ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ УФ ОБЛУЧЕНИЯ............................................................................................44

2.1. ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ОБЛУЧЕНИЯ. ВИДЫ СХЕМ И ИХ АНАЛИЗ....................................................44

2.2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ОБЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОНЯТИЯ ВЕКТОРА УМОВА-ПОЙНТИНГА..................54

2.3. ДОЗЫ ОБЛУЧЕНИЯ И ЕЕ ДЕЙСТВИЕ НА СЕМЕНА РАСТЕНИЙ..............................................................57

2.4. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ДОЗЫ УФ ОБЛУЧЕНИЯ......................................................61

2.5.СОВРЕМЕННЫЙ ВЗГЛЯД ВЛИЯНИЯ СТРЕССА НА СЕМЕНА И РАСТЕНИЯ.........................................63

2.6. ДЕЙСТВИЕ УФ ИЗЛУЧЕНИЯ НА СЕМЕНА И РАСТЕНИЯ.........................................................................68

2.7. ДЕЙСТВИЕ НТП НА СЕМЕНА И РАСТЕНИЯ................................................................................................70

2.8. ВЫВОДЫ...............................................................................................................................................................73

ГЛАВА 3. ПРИБОРЫ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ............................74

3.1.МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВСХОЖЕСТИ СЕМЯН ХЛОПЧАТНИКА.....................................................74

3.2.МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ БОЛЕЗНЕЙ СЕМЯН.........................................................................................74

3.3.МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ПОЛЕВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.........................................................................75

3.4.МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.................................................................79

3.5.МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА ХЛОПКОВОГО ВОЛОКНА......................................................79

3.6.ИСПОЛЬЗУЕМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ, УФ-РАДИОМЕТР, ГЕНЕРАТОР НТП.............................................81

3.7.ВЫВОД Ы................................................................................................................................................................84

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ВЛИЯНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРЕДПОСЕВНОГО УФ И НТП ОБЛУЧЕНИЯ СЕМЯН НА ВСХОЖЕСТЬ, ЗАРАЖЕННОСТЬ, РОСТ, РАЗВИТИЕ, УРОЖАЙНОСТЬ И КАЧЕСТВО ХЛОПЧАТНИКА.................85

4.1.ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ УФ И НТП ОБРАБОТКИ НА ВСХОЖЕСТЬ И ЗАРАЖЕННОСТЬ СЕМЯН ХЛОПЧАТНИКА.........................................................................................................85

4.2.ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ УФ И НТП ОБРАБОТКИ НА РОСТ, РАЗВИТИЕ И УРОЖАЙНОСТЬ ХЛОПЧАТНИКА В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ..........................................................................94

4.3. ОБЛУЧЕНИЕ СЕМЯН ВО ВЗВЕШЕННОМ СОСТОЯНИИ..........................................................................113

4.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОПУСКАНИЯ УФ-ПОТОКА СЕМЕНАМИ ХЛОПЧАТНИКА 115

4.5.ВЫВОДЫ..............................................................................................................................................................116

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН ХЛОПЧАТНИКА ОБЛУЧЕНИЕМ......................................................................................................................118

5.1 ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ ПРЕДЛАГАЕМОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН..............................................................................................................118

5.4 СИСТЕМА АНАЛИЗА И УПРАВЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТЬЮ СЕМЯН.....................128

5.3. РАЗРАБОТКА СПОСОБА ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ УСТАНОВКИ..............................................................................................131

5.4. БиШОДЫ.............................................................................................................................................................134

ГЛАВА 6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН ХЛОПЧАТНИКА УФ И НТП ОБЛУЧЕНИЕМ....................136

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..................................................................................................................................................142

ЛИТЕРАТУРА..........................................................................................................................................................144

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................................................................................158

ВВЕДЕНИЕ

Республика Таджикистан, является аграрной страной, а 93% всей территории занимают горы. Хлопководство - основная сельскохозяйственная отрасль Республики Таджикистан (РТ). Основная продукция хлопка - волокно является ценным экспортным материалом. Однако эффективность отрасли ограничена тем, что сохраняются высокие затраты материальных, трудовых и энергетических ресурсов на производство хлопка, и низким качеством семенного материала, которое оценивается, в основном, по степени зараженности семян и по проценту всхожести.

В Таджикистане с 1991г. по настоящее время в сельском хозяйстве наблюдается снижение урожайности с 27-28 до 14-15 центнеров с гектара, а также качество получаемой продукции [96, 33]. Необходимо отметить, что данная проблема (снижение урожайности) наблюдается во многих хлопкосеющих странах [38, 70].

Сложное положение агропромышленного комплекса, возрастающая потребность в качественных семенных материалах, а также необходимость рационального использования энергетических ресурсов обусловливают ускорение поиска новых технологических и практических подходов к сельскохозяйственному производству.

Прежде всего речь идёт о создании условий для его перехода на принципы устойчивого развития, чтобы получать нужное количество агропродук-ции при оптимальных затратах энергии и минимальном загрязнении окружающей среды.

Одним из выходов из создавшегося положения является разработка и применение новых методов предпосевной обработки семян с применением оптического излучения, в частности ультрафиолетового (УФ) и низкотемпературного плазменного (НТП). Оптическое излучение является эффективным, и вместе с тем, сравнительно просто реализуемым и дешёвым способом повышения урожайности и получения экологически чистой продукции. Этот метод

может применяться повсеместно, и для его реализации разработаны многочисленные и разнообразные установки и технологии, но в настоящее время для предпосевной обработки семян хлопчатника использовать стандартные облучательные установки невозможно, так как семена хлопчатника имеют толстую кожуру и линт (опушенность), которое затрудняет проведение предпосевной обработки.

Существующие на сегодняшний день установки для предпосевной обработки семян УФ облучением имеют ряд существенных недостатков: -нет возможности контролировать дозу облучения семян; -не учитывается равномерность облучения по глубине облучаемого материала; -не учитывается изменение потока источников излучения в процессе их работ.

В настоящее время необходимо учитывать действие изменений климата, его глобальное потепление и другие факторы, приводящие к новым стрессовым воздействиям на организмы. Обеспечение в таких условиях высоких и стабильных темпов роста сельскохозяйственной продукции возможно лишь при переводе технологии возделывания культуры на качественно новый упо-вень.

Переход к качественно новым технологиям должен предусматривать и к максимальное согласование с биологическими особенностями культуры и экологическими требованиями агроэкосистем. Ясно, что влияние физических факторов зависит не только от генотипа растения, но и морфологических особенностей семян, а также от качества посевного материала.

Выше сказанные недостатки обуславливают необходимость совершенствования технологий обработки семян и устройств, а также разоаботп' новых эффективных установок для предпосевной обработки семян.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ

Научное обоснование метода и создание установки для повышения посевных качеств семян хлопчатника за счет УФ и НТП предпосевного облучения.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. На основе теоретического анализа осуществить выбор технологической схемы УФ облучения по показателю энергетической эффективности.

2. Провести лабораторные исследования по определению коэффициента пропускания УФ-потока через слой семян хлопчатника.

3. Экспериментально обосновать дозы УФ-облучения для наиболее доступной лампы ДРТ 240 и двух исходных физико-химических состояний семян перед обработкой на всхожесть и обеззараживание семян (сухие и замоченные).

4. Оценить в полевых экспериментах влияние УФ-облучения семян на урожайность и качество полученной продукции (качество хлопка-волокна).

5. Исследовать влияние экспозиций НТП на всхожесть, обеззараживание семян хлопчатника, урожайность и качество хлопка-волокна.

6. По результатам экспериментальных исследований разработать установку для облучения семян хлопчатника перед посевом с учетом коэффициента пропускания и особых характеристик семян хлопчатника.

7. Оценить экономическую эффективность применения предпосевной обработки семян хлопчатника УФ облучением и излучением НТП.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Семена средневолокнистого хлопчатника сорта «Мехргон», как биологический приёмник оптического излучения, облучаемый с целью стимуляции, обеззараживания и повышения продуктивности. ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Определение влияния доз облучения на посевные качества семян хлопчатника и качество хлопка-волокна при предпосевной обработке УФ облучением и излучением НТП, а также изучение требований к режимам технологического процесса облучения семян в установках для предпосевной обработки семян.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Основными методами исследований были лабораторные исследования и полевые эксперименты. Анализ энергетического совершенствования технологических схем облучения проведен с использованием методов фотометрии, в частности, с использованием формулы Бугера-Ламберта-Бера и вектора Умо-ва-Пойнтинга. В работе использованы элементы математической статистики, теории планирования экспериментальных исследований. Результаты исследований обрабатывались регрессионным и дисперсионным анализом, с применением прикладного пакета статистической программы EXCEL. НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. В исследовании осуществлен интегральный (полный) подход к созданию технического средства, включающее не только выбор оборудования, но и выбор энергоэффективного технологического процесса, а также разработана экологически безопасная технология предпосевной обработки семян хлопчатника УФ и НТП облучением.

2. Впервые была проведена обработка семян хлопчатника НТП облучением перед посевом, с точки зрения нового и высокоэффективного способа физического воздействия на посевной материал.

3. Экспериментально доказана эффективность предпосевной обработки предварительно замоченных семян УФ и НТП облучением в ходе лабораторных и полевых экспериментов. При облучении замоченных семян (влажностью 30%), в сравнении с сухими (влажностью 10%), увеличивается степень обеззараживания семян.

4. Выявлены практические дозы УФ и экспозиции НТП обучения семян хлопчатника, позволяющие повысить всхожесть и снизить зараженность семян, улучшить рост и развитие растений, урожайность и качество продукции.

5. Научно обоснованы основные инженерные решения специальных установок для УФ и НТП облучения семян хлопчатника, которые защищены патентами на изобретение: патент РФ № 2475010 по заявке № 2011117231; малый патент на изобретение РТ № ТМ 426 по заявке №1000533.

6. Разработан способ диагностики состояния энергетических элементов, контроля и управления энергетической эффективностью потребительских энергетических систем, защищенный патентом на изобретение РФ № 2474942 по заявке №2010132618.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

1. Установлены энергетические показатели (доза и экспозиция), обеспечивающие положительные эффекты от предпосевной обработки семян хлопчатника УФ и НТП облучением, которые позволяют стимулировать и снижать зараженность семян, а также повысить урожайность и технологическое качество хлопка-волокна.

2. Достигнуты результаты, которые позволяют дать практические рекомендации по развитию и повсеместному применению разработанных технологий, а также являются основой для более глубоких исследований УФ и НТП облучения для предпосевной обработки семян хлопчатника в Республике Таджикистан.

3. Разработаны установки для УФ облучения семян хлопчатника, которые способны поддерживать заданную дозу и равномерное распределение потока по толщине обрабатываемого слоя. Новизна технических решений подтверждена патентами.

4. Создана реальная экологически безопасная альтернатива применяемым химическим методам предпосевной обработки семян.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

Полученные результаты диссертационных исследований используются в

акционерном обществе открытого типа им. Э. Бойматовой, а также управлением сельского хозяйства города Канибадам, Республики Таджикистан.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные положения и результаты работы обсуждались и были одобрены на научных конференциях: IV Международная научно-практическая конференция «Перспективы развития науки и образования» (Таджикский технический университет им. академика Осими 2010 г.); Международная научно-практическая конференция «Профессиональное образование и техническое знание - могущественный фактор специалиста» (Таджикский аграрный университет им. Шириншох Шотемур 2010 г.); Научно - практическая конференция «Современная технология - основной фактор возрождения сельскохозяйственного производства» (Таджикский аграрный университет им. Шириншох Шотемур 2010 г.); Конференция «Использование перспективных энергетических установок в ходе модернизации АПК» (Агрорусь, 2010 г.); Научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава, СПбГАУ 2011 г.; Республиканская научно-практическая конференция "Инновационные технологии, глобализация и диалог цивилизаций", посвященной 20-летию Независимости Республики Таджикистан (технологический университет Таджикистана 2011 г.); Научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава, СПбГАУ 2012 г.

ПУБЛИКАЦИИ

Основное содержание работы отражено в 16 публикациях, в том числе 7 работах в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ, 2 патента РФ и 2 малых патента Республики Таджикистан на изобретение.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 140 наименований, в том числе 8 на иностранных языках и приложений. Содержание работы изложено на 143 страницах, текст содержит 54 рисунок и 27 таблиц.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. Народно-хозяйственное значение хлопчатника в Республике Таджикистан

Хлопчатник - ценнейшая культура, относящаяся к группе прядильных. Трудно назвать отрасль экономики, где бы не использовалась продукция, полученная из его сырья. Хлопок сырец, ценится по физическому состоянию (технологическое качество), оно является ценнейшим сырьем текстильной промышленности, используется в военной, электротехнической, электронной и других промышленностях.

Известно, что из хлопка-сырца выпускают более 300 видов продукции народного потребления. Кроме обычной пряжи и большого выбора одежных и бельевых тканей, из него изготавливают нитки, канаты, веревки, рыболовные снасти, транспортерные ленты, специальную ткань для резиновых шлангов, фильтры, электрообмотку, вату целлулоид, кинопленку, лаки, высокие сорта писчей бумаги, пластмассы и взрывчатые вещества [116].

Семена хлопчатника используются как пищевой продукт для изготовления рафинированного масла, маргарина, мыла, кормов для скота. Из дробленой кож