автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Предпосевная СВЧ-обработка дражированных семян

¿Г/. - /у-о

•СУ / ' ^ ^ «■ ' V/ Г V V.'

Российская академия сельскохозяйственных наук

(РАСХН)

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

(ВИЭСХ)

На правах рукописи

АЛАГОВ АСЛАНБЕК СИМОНОВИЧ ^

УДК 632.935:621.385.6

ПРЕДПОСЕВНАЯ СВЧ-ОБРАБОТКА ДРАЖИРОВАННЫХ СЕМЯН

Специальность 05.20.02. - электрификация сельскохозяйственного

производства

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший научный сотрудник Г. А. Шарков

Москва-1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1. АНАЛИЗ ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН 13

1.1. Место предпосевной обработки семян в общеэнергетическом балансе растениеводства 13

1.2. Классификация методов предпосевной обработки семян 16

1.3. Физические основы СВЧ-воздействия на семена 23

1.4. Анализ методов дражирования семян 26

1.5. Возможности снижения энергии при досвечивании растений 28

1.6. Заключение по главе. Цель и задачи исследования 29

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРО- И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДРАЖИРОВАННЫХ СЕМЯН НА СВЧ 31

2.1. Методики и технические средства для изучения электро- и теплофизических характеристик семян 31

2.1.1. Исследование диэлектрических характеристик семян методом согласованной нагрузки 31

2.12. Исследование диэлектрических характеристик семян комбинированным методом передающей линии 37 2.1.3. Определение электро- и теплофизических характеристик дражированных семян на частоте 2450 МГц 44

2.2. Зависимость диэлектрических констант семян овощных культур

от влажности, температуры и частоты ЭМП 51

2.3. Влияние качества отбора семян на их диэлектрические свойства 57

2.4. Зависимости электро- и теплофизических характеристик дражированных семян от влажности 59

2.5. Выводы по второй главе 61

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СВЧ-ОБРАБОТКИ ДРАЖИРОВАННЫХ СЕМЯН 62

3.1. Исследование термического действия СВЧ-обработки на дражированные семена 62

3.2. Анализ полученных результатов 68

3.3. Выводы по третьей главе 71

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ И КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧИХ ОРГАНОВ СВЧ-УСТАНОВКИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ СЕМЯН 72

4.1. Программа и методики проведения экспериментальных исследований 72

4.1.1. Методика оценки эффективности действия биотропных факторов на качество посевного материала 72

4.1.2. Методика оценки эффективности свегопрозрачных материалов покрытий теплиц и искусственных источников света 75

4.1.3. Методика определения удельной и эффективной мощности СВЧ-воздействия 80

4.2. Действие импульсного ЭМП СВЧ на прорастание и урожайность дражированных семян 84

4.3. Влияние дозы СВЧ-воздействия и времени отлежки семени на их посевные качества 99

4.4. Влияние режимов сепарирования на посевные качества дражированных семян свеклы 101

4.5. Разработка устройства для отбора семян по качеству 104

4.6. Выбор параметров рабочих органов СВЧ-установки для предпосевной обработки дражированных семян 111

4.7. Исследование спектральных характеристик зеленых листьев растений и экспериментальных полимерных пленок 116

4.8. Экономическая эффективность технологии выращивания рассады дражированными семенами 124

4.9. Выводы по четвертой главе 129

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ 130

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 133

ПРИЛОЖЕНИЯ 145

ВВЕДЕНИЕ

Проблема разработки и внедрения эффективных способов улучшения посевных качеств семян особо остро стоит в овощеводстве защищенного грунта. По данным Института питания АН СССР, средняя годовая норма потребления овощей должна составлять на одного человека 126 кг. Однако климатические условия в нашей стране определяют крайне не равномерное поступление урожая. Так, до 1 августа с открытого грунта поступает 10...11% всего урожая, в том числе 30% огурцов, в то время как в августе - сентябре урожай огурцов оставляет 70% [1].

Для ликвидации неравномерности поступления урожая и сбалансированного питания в течение всего года в условиях защищенного грунта должно выращиваться примерно 25% всего количества овощей [2, 3]. В структуре же овощей открытого грунта до 70% занимает капуста, выращиваемая рассадным способом, а так же томаты, перец, баклажаны и некоторые другие овощные культуры. Трудоемкость производства рассады составляет от 6 до 12 чел-ч на одну тысячу штук рассады, что составляет 4045% всех затрат на производство овощей [3, 4]. Причем при производстве капусты для решения задачи соответствия биологического и экологического цикла около 50% затрат антропогенной энергии необходимо на выращивание рассады перед ее высадкой в открытый грунт [5]. Высокая себестоимость овощей защищенного грунта заставляет совершенствовать старые и искать качественно новые пути повышения производительности производства и снижения энергозатрат. Среди них важное место занимает предпосевная обработка семян.

Попытки использования различного рода «стимуляторов» для повышения урожайности растений гидрохимическими методами (гидрохинон, бромистый калий, янтарная кислота и т.п.) не дали ожидаемый результатов. Некоторые из них оказались нетехнологичными, другие из-за недостаточного

биологического и агрономического обоснования рассматривались как средства, способные повышать урожай без учета других агроприемов и тоже оказались бесперспективными, третьи предъявляли чрезмерно высокие требования к квалификации обслуживающего персонала. Кроме того, суммарные затраты антропогенной энергии из-за неоправданного увеличения структуры технологических звеньев и дублирования некоторых операций, приводящих к одинаковому биологическому эффекту в с.-х. производстве, увеличиваются, в настоящее время они достигли 12... 13% всех энергетических ресурсов, потребляемых в стране. Увеличилось число всевозможных обработок семян, почвы, растений и т.д. В настоящее время на 1% прироста урожая приходится 2,5% прироста антропогенных энергозатрат [5].

Одним из прогрессивных приемов подготовки семян к посеву является дражирование. Дражированные семена позволяют осуществлять точный высев, что обеспечивает их качественную заделку, снижает расход и значительно уменьшает затраты ручного труда на прореживание и пикировку. Использование для точного высева дражированных семян свеклы, салата и других культур позволяет в 2-3 раза уменьшить затраты по прорывке, на 3040% и более сократить расход семян [6]. Однако дражирование понижает всхожесть семян, что на начальном этапе сдерживает их развитие [7]. Воздействием СВЧ-энергии можно повысить их качество [8,. 9, 10], но этот прием еще недостаточно изучен для широкого внедрения в современное с.-х. производство.

В настоящее время дражированием семян занимаются непосредственно в хозяйствах. Понятно, что в хозяйствах сегодня отсутствуют специалисты по дражированию, отбору и сортировке семян по качеству, контролю самого драже и хранению конечной продукции. Это приводит к удорожанию дражированных семян и снижению их качества по сравнению с

централизованной обработкой в условиях специализированных предприятий по подготовке семян к посеву [б].

Кроме того в настоящее время практически остался без внимания вопрос обоснования потребности в искусственном досвечивании и обогреве растений при выращивании рассады из дражированных семян после их СВЧ-обработки.

Поэтому интенсификация существующих и разработка новых технологий подготовки семян к посеву и обоснование параметров оборудования для производства высококачественных дражированных семян в условиях централизованного производства является актуальной задачей.

Цель работы. Обоснование процесса предпосевной СВЧ-обработки дражированных семян и разработка технических средств, обеспечивающих повышение урожайности и экономию электроэнергии при выращивании растений в сооружениях защищенного грунта.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.

• Теоретически и экспериментально обоснованы технологические режимы процесса воздействия ЭМП СВЧ на семена, не снижающие его качества.

• Установлены зависимости диэлектрических свойств и теплофизических характеристик дражированных семян от влажности, плотности и температуры.

• Обоснованы режимы предпосевного отбора семян по качеству и разработано устройство для их контроля.

• Исследованы оптические свойства свегопрозрачных покрытий теплиц и спектральные характеристики зеленых листьев растений.

• Разработаны экспериментальные образцы рабочих органов и комплекты оборудования для предпосевной подготовки семя, проведены испытания и дана их технико-экономическая оценка.

Исследования в указанном направлении начаты в 1986 г. Они проводились по координационному плану НИР ВИЭСХа в соответствии с поручением СМ

СССР и Постановлениями ГКНТ СССР (№ 121 от 9.04.82, № 552 от 11.04.91), а также научно-техническими программами 0.51.21, О.Сх.71, СВЧ-агро на 1992... 1996 гг. и др. Планами НИР ВИЭСХа на 1987...1997 гг.

В первой главе. Проведен анализ физических методов предпосевной обработки семян и показано, что существующие методы полностью не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к способу предпосевной обработки семян. Использование электромагнитного поля СВЧ с этой целью, сдерживается главным образом из-за недостаточного изучения процесса воздействия СВЧ-поля на дражированные семена. Отсутствуют научно обоснованные нормы искусственного досвечивания растений в условиях защищенного грунта при выращивании рассады из дражированных семян после СВЧ-обработки с использованием современных свегопрозрачных покрытий теплиц.

Во второй главе. Изложены методики измерения диэлектрических свойств (комбинированным способом передающей линии) и определения электро- и теплофизических характеристик для сыпучих материалов. Представлены результаты экспериментальных исследований диэлектрических констант семян овощных культур от влажности, плотности и температуры на частотах 2,45; 5,8 ГГц. На частоте 2,45 ГГц установлены зависимости диэлектрических свойств семян свеклы с. Бордо от их качества после диэлектрической сепарации. Впервые представлены зависимости электро- и теплофизических характеристик дражированных семян некоторых овощных культур от влажности.

В третьей главе. Проведен анализ термического действия СВЧ-обработки дражированных семян и установлена его зависимость от биотропных факторов. Разработана математическая модель процесса воздействия СВЧ-

поля на дражированные семена не снижающая их качества. Предложен расчет дозы предпосевной СВЧ-обработки семян.

В четвертой главе. Изложены программа и методики проведения экспериментальных исследований. Проведены исследования кинетики нагрева и охлаждения дражированных семян и установлено влияние непрерывного и импульсного СВЧ-воздействия на дражированные и не дражированные семена. Проведена оптимизация режимов (по мощности, скважности и экспозиции на частоте 5,8 ГГц) СВЧ-обработки семян по плану Хартли. Показано, что посевные качества дражированных семян существенно зависят от дозы СВЧ-воздействия и времени отлежки. Изучено влияние режимов диэлектрического сепарирования семян перед дражированием на их посевные качества. Обоснованы параметры: рабочих органов СВЧ-установки для предпосевной обработки дражированных семян, свегопрозрачных материалов покрытий теплиц. Приведены результаты производственной проверки новых технологических приемов и материалов. Дана экономическая эффективность технологии возделывания рассады овощных культур в сооружениях защищенного грунта из дражированных семян после их СВЧ-обработки с применением новых материалов покрытий теплиц.

Научная новизна исследований.

• Разработаны теоретические основы интенсификации технологического процесса СВЧ-обработки дражированных семян, базирующиеся на использовании критерия биорезистентности и протекающих при этом теплофизических процессах.

• Изучены диэлектрические и теплофизические характеристики дражированных семян от влажности, плотности и температуры.

• Предложены критерии количественной оценки оптических свойств свегопрозрачных покрытий теплиц.

• Исследованы оптические свойства свегопрозрачных покрытий теплиц, спектральные характеристики зеленых листьев растений.

• Обосновано использование в качестве экранов и пленок полимеров с люминофором, переизлучающим УФ-часть спектра солнечного излучения.

Достоверность теоретических положений подтвердилась экспериментальной проверкой в лабораторных и производственных условиях, а также положительными результатами полученными другими авторами (МГАУ, НИИОХ, ТСХА, ЭЛСОРТ, ХИМЭСХ, ЧИМЭСХ, ВИМ, НИИП, НПО "Тест-Радио" и др.).

Новизна технических решений защищена двумя патентами Российской Федерации.

Практическая ценность диссертации. Созданы рабочие органы и обоснованы режимы предпосевной СВЧ-обработки дражированных семян, обеспечивающих охрану окружающей среды, энерго- и ресурсосбережение. Сравнительные спектрально-люминисцентные исследования пленок и зеленых листьев растений позволяют целенаправленно подбирать спектральный состав облучения под каждое растение, а в сочетании с использованием в качестве экранов и пленок полимеров с люминофором, УФ-свет в области поглощения хлорофилла, позволяет существенно повысить отдачу раннего урожая. Новые технологические приемы и оборудование позволяет также лучше обеспечивать охрану окружающей среды, энерго- и ресурсосбережение.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований использованы в разработке ТЗ на СВЧ-установку для обработки семян перед посевом и методических рекомендациях по исследованию электрофизических и теплофизических свойств с.-х. материалов и пищевых продуктов. Разработан технологический процесс СВЧ-обработки семян, был апробирован в различных хозяйствах России и Украины. Технологические и методические

рекомендации и исходные требования переданы в совхоз «Белая дача», НПО "Тест-Радио" (г. Харьков), НПО "ЭЛСОРТ", НПО "Фазотрон", ООС ТСХА им. В.И. Эдельштейна, Крестьянское хозяйство "М. Пирогово", Мичуринский Госагроуниверситет.

Апробация полученных результатов и практической ценности работы.

Диссертационная работа обсуждена и одобрена на секции "Энергетики и электрификации сельского хозяйства" Ученого совета ВИЭСХ в 1998 г. Материалы теоретических и экспериментальных исследований доложены, обсуждены и одобрены на республиканской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «ХХУП съезду КПСС-мастерство и поиск молодых» (Орджоникидзе 1986 г.), на заседании секции 2 -го межведомственного семинара «СВЧ-энергетика в народном хозяйстве» (Москва, ГНПП «Торий», 1993 г.), на Всероссийской научно-технической конференции (Москва, АГРОПРИБОР, 1997 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Наука, техника, образование» (Барнаул, АлгГТУ им. И.И. Ползунова, 1997 г.)„ на Международной научно-технической конференции «Энергосбережение в сельском хозяйстве» (Москва-ВИЭСХ, 1998), на научно-методической конференции «Современные энергосберегающие технологии и оборудование» (Москва, МГАУ, 1999 г.).

Автор защищает:

1. Новую технологическую схему предпосевной подготовки семян.

2. Способ отбора семян по качеству и устройство для его осуществления.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по

предпосевной СВЧ-обработке дражиров анных семян.

4. Зависимости электрофизических и теплофизических характеристик

дражированных семян от влажности, плотности и температуры.

5. Конструкцию рабочих органов для предпосевной обработки семян и параметры свегопрозрачных покрытий теплиц

Совокупность результатов исследования и внедрения представляют собой решение актуальной научной проблемы повышение урожайности с.-х. растений путем предпосевной СВЧ-обработки дражированных семян и улучшение их качества при сокращении энергозатрат, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Работа выполнена в лаборатории электрофизических технологий Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ). Биологические и агрономические исследования проведены совместно с ТСХА, МГАУ, Институтом почвоведения и фотосинтеза АН СССР (г. Пущино) и др. организациями. Производственная проверка проведена в ООС ТСХА им. В.И. Эделыптейна, НПО «ЭЛСОРТ», Крестьянском хозяйстве «М. Пирогово», тепличном комбинате «Белая дача».

1. АНАЛИЗ ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ

СЕМЯН

1.1. Место предпосевной обработки семян в общеэнергетическом

балансе растениеводства

Быстрые темпы роста площади защищенного грунта обусловлены прежде всего успехами химической промышленности в производстве полимерных материалов (в первую очередь свегопрозрачной пленки), которые позволили создать от