автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:СВЧ ДЕЗИНСЕКЦИЯ СЕМЯН БОБОВЫХ



МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ШАЖКИ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА ИМЕНИ В.П.ГОРПЧКИНА

На правах рукописи

ВЕНДШ Сергей Владимирович

СВЧ ДВЗ-ИСЕКШЯ СЕМЯН БОБОВЫХ

Специальность: 05,20.02 - электрификация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1ЭЭ0

0шгн еж ^

' ■ Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного

Знамени институте инженеров сельскохозяйственного производства им. В. П. Горяч кипа1

Научгшй руководитель - академик ВАСХНЮ1 ^ доктор технических

наук, профессор БОРОДИН И.Ф.

Официашгые оппоненты - доктор технических наук, (> профессор воробьев В,А,

доктор технических наук, профессор Рудойаш^а С.П.

Ргдущее предприятие - БИЗСХ

Защита состоится " 1990 г. в " 'часов на

заседании специализированного совета №2 (К 120.12.02) Московского ордена Трудового Красного Знамени института инженеров сельскохозяйственного производства имени В.П.Горячкина по адресу: ул.Тимирязепская, д.58,.

С дкссерТиЦиеЙ можно ознакомиться в библиотеке Ш11СП.

Автореферат разослан "__ " , ___________1990 г.

Отзквн на автореферат (в 2-х экземплярах), заверенные печатью, просим направить по адресу; 127550, Москва П-550, Тимирязевская ул., дом 58, Ш1СП, Ученый совет.

Ученый секретарь с пени гиги зареванного совета, . кандиЕа-т технических наук,

профессор А.П.Фомекков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность ггооблеу^. Решендя; я парт.чк и правительства намерена широкая программа мероприятий по достижению устойчивого роста сельскохозяйственного производства, надежного обеспечения страны продуктами питания к сельскохозяйственным сырьем, сохранению произведениеЯ ироду кие а. Но некоторым данным потери мсск бобовых только-г,з-за насекомых вредителей составляют от 14 до 64$, а повреждение гороха зерновкой достигает 30-50$, при этом семена теряют более 30^ массы к их всхожесть снижается не 70-90^.

Используемые в настоящее время способы Оорьбы с насекоми/я вредителями бобовых не в полной мере удовлетворяют требованиям, с.-х. производства* Физико-мех-эническиз методы требуют значительных затрат ручного труда, радиационные методы экономически оправданы только при обработке больших партий зерна и не могут бкть использованы для дезинсекции семян. Наиболее распространенные химические методы борьбы создают опасность заражении зерна и окружающей среды ядохимикатами и, кроме того, однократная обработка химическими фумигантами как правило не обеспечивает полное уничтожение насекомых, но приводит к снижению всхожести семян в среднем на -2-А%.

Исследованиями многих ученых как в нашей стране, так и за рубежем показано, что эффективное дополнение к существующим способам борьбы с насекомыми вредителями представляет способ обработки семяк электромагнитным полем (ЕМП) сверхвысокочастотного * ССВЧ) диапазона, обладающий рядом преимуществ по сравнению с другими применяемыми методами: является экологически чистым, не оказывает вредного воздействия на окружающую среду,' эффективное обеззараживание как продовольственного, тач и семенного материала во всех фазах развития кредителеС. Однако дальнейиее развитие СВЧ-способа дезинсекции сдерживается отсутствием единого теоретического подхода, учитывающего как электродинамические, так и, связанные с ними, термические аспекты электромагнитного воздействия, влажность обрабатываемых семчн, а также отсутстгчем установок для СЗЧ-дезинсекции семян бобовых в условиях производства.

Исследование и разрабогка способа СБЧ-дезинсекции семян бо-. бовых проводились в соответствии с научно-технической Проблемой 0.51.21 ГКНТ СССР на 1?36-1ЭЭ0 г.г.Тазработать новые метода и

технические' средства

■ ш-чяцрч-рпа'чруи ЧГ|ЭГЙСТЗИ

ЦЕНТРАЛЬНАЯ 1:АУчЦлЯ ь •:.. ¡07 СНА ' ;оск. сэльскохо* ач ада мин и,). К. А lцмиgяaesJ " И»В. НиХЛША

Цель работы. Исследование и разработка способа и технических средств СВЧ дезинсекции семян бобовых.

Задачи доследования:

- анализ существующих способов и средств борьбы с насекшими вредителями бобовых;

- исследование влияния влажное ги семян бобовых и зараженности насекшими вредителями на их электрофизические параметры ' (диэлектрическую проницаемость, тангенс потерь);

- разработать математическую модель дифракции электромагнитной волны на пораженном вредителем семена;

- разработать математическую модель процесса СЕЧ-нагрева и «лажденвд пораженного вредителем семени;

• - разработать исследовать и испытать технические средства для СБЧ дезинсекции бобовых;

- установить устойчивость гороховой и фасолевой зерновок к СВЧ-воздеЛствшо;

- исследование влияния СВЧ-воздействга на основные показатели качества семян.и зерна гороха и фасоли в зависимости от их влажности, интенсивности и времени воздействия, условий окружающей среды; •

- разработать методику СВЧ дезинсекции .семяь бобовых;

- щовести экспериментальное исследование СВЧ дезинсекции семян бобовых и технико-экономическую оценку способа.

Методы исследорания. При решении указанных задач были использованы теоретические методы электродинамики СВЧ, термодинамики, теория планирования экспериментов, математическая статистика и регрессионный анатиз, а такге измерительная и вычислительная техника.

Научная новизна. Проведены исследования по использованию ЭМП СВЧ для дезинсекции семян бобовых. Получены эмпирические зависимости диэлектрических параметров семян гороха и фасоли от ах влажности. Определено влияние зараженности семян фасоли фасолевой зерновкой на изменение диэлектрических параметров фасоли. . Получены математическая модель дифракции глектромагнитной волны на пораженном вредите чем семени и математическая модель СВЧ-наг-рева в охлаждения семени. Экспериментально установлено влияние режимов СВЧ-обработки на эффективность дезинсекции и показатели качества семян гороха и фасоли (получены регрессионные модели). Разработаны способа и устроЕс^ра СВЧ дезинсекцил семян бобовых.

Новизна предложенного способа и принятых технических реще-

э

ний защищены четырьмя авторскими свидетельствами. Результаты исследований отмечены П премией МШ ВАНТО за 1989-19 ЭО гг.

Ррактическа/т ценное^. Экспериментально подтверждены результаты теоретических ипслэдо^аний по СВЧ дезинсекции семян бобо-г вых. Разработана и испытана импульсная СЗЧ-установка, созданная на базе модулг.гора посадочного радиолокатора РП-ЗГ.

На йэдштг выносятся следуйте оскс ные подобия!

- способ дезинсекции семян бобовых энергией Я,1!П СВЧ;

- математическая модель дифракции электромагнитной волны па . поражением вредителем семени;

- математическая модель термического воздействия ЭЩ при СВЧ дезинсекции;

- результаты экспериментальных исследований по СВЧ дезинсекции семян бобовых;

- рекомендации "по обоснованию параметров ЗИП СВЧ а оптимальных режимов СВЧ дезинсекции семян бобовых.

Рдадизздия оезультртор иерлддрраций. По результатам исследований разработаны способы дезинсекции озмчн бобовых, а такие технические средства СВЧ обработки семян. Полученные результаты внедрены в НПО "Грибовекое" Московской области. Экономический эффект от применения СВЧ-установки составил 0,38 руб/кг при дезинсекции семян гороха и 2,40 руб/кг при дезинсекции сиян фасоли. Экономический эффект от применения СВЧ-установки при предпосевной обработке семян гороха составил 0,90 руб/кг.

Апробация работы. Основные положения и результаты тассерта-ции докладывались и обсуждались на научных конференциях црофес-сорско-преподавательского состага, научных работников и аспирантов МШСП им.В.П.Горячкина ¿г.Москва, 1927-1990 гг.); Всесоюзной научно-практической конференции "Действие СВЧгкэ-.уче1Шй на б и логические компоненты агроценозов к их применение в АПК" {г.Москва, 1939 г.); У1 Всесоюзной научно-техничзской конференции "Электр >-физические методы обработки шиле вы/ продуктов и сельсклозяйст-венногс сырья" (г.Москьз, 1989 г.).

Публикация. По результатам коследований опубликовано 10 работ.

Офъем работу. Диссертация состоит из введения, пятя глав и общих выводов. Она изложена на 138 страницах ос косого г^жта, содержит 42 рисунка» ^таблиц, слисок литературы из 135 к-шиено-веиий а 8 дрялаченай.

СОДЁРКШЕ РАБШН

Во введении обоснована актуальность работы, изложены состояние вопроса, цель в задачи исследования, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

. ' В первой главе проведен обзор способов и технических средств борьбы с насекомыми вредителями бобовых,

Кз анализа литературных источников следует, что перспективном дополнением к существующим способам дезинсекции является обработка зерна и семян электрсмагндтнш полем сверхвысокой, частоты, Большинство иыеюашхся работ посвящено электромагнитной деэ-эинсещии зерновых (паенкиа, рис) и совс м малоис следовала СВЧ дезинсекция бобовых. Следует отметить, что в основе летального .1ффекта СВЧ дезинсекции проявляется "тепловое" воздействие ЭШ СБЧ обусловленное физикой диэлектрического нагрева вещества. Но в толю врем, жеютсл противоречивые даипые о нтболев эффективной частоте ЭШ, оптимальной влажности обрабатываемых семян, скорости СВЧ-нагрева и конечных температур семян, «то обуславливает необходашссть проведения как теоретического анализа, так и экс- . перякентадьнюс исследований по влиянии пар галет ров электромагнитного поля (мощности, частоты, амплитудной модуляции) на эффективность СВЧ де^'шсекции с учетш Электрофизических и теплофизачес-кюс параметров семян, их- влажности, условий окружающей среда.

. На основании результатов анализа литературных источников и в соответствии с поставленной целью сформулированы основные задачи исследования.

Вр второй гдэбэ изложено исследование зависимости дизлект-ричеиких параметров семян бобовых от влажности и зараженности насекомыми вредителями,

Измерение диэлектрических параметров 1фоиэводалось' при частоте 2450 МГц на измерительна! стеньг по методу согласованной нагрузки. Разброс иг^ерекных величин не превышает 10$. В результате исследований определены эмпирические зависимости диэлектрических параметров семян гороха и фасоли от их влажности.

Зависимость € ,£ от влажности хорошо аппроксимируется выражениями вида В

У - С ♦ В0И/ , • (I)

г.,з \д/~ относительная ел?жность семян, %; 0,Во, В - коэффициента, определяемые'с учетов экспериментальных данных по методу наименьших квадратов.

Диэлектрические параметры и влажность /Семян достаточно хорошо коррелировали между собой.. При логарифмичес кой"лине а^изацяй" экспериментальных значений коэффициент кбрреляции составляет не менее 0,98,

Установлено, что изменение относительной влажности семян гороха ка 10% пртощп к относительному изменению диэлектрических .параметров £ ,<5 соответственно на 15, 32 и 20%, а изменение относительной влажности семян фасоли на 10^ приводит к относительному изменению £ ,6 соответственно на 15,5, 29 и 18$, Б процессе развития одного поколения фасолевой зерновки внутри семян фасоли имеет-место снижете диэлектрических параметров семенной массы ¿/и^ почти в 2 раза, а в ;1,3 раза,

Третья глава посвящена теоретическому исследования процесса СВЧ дезинсекции бобовых,

В первой части главы рассмотрено теоретическое.исследование дифракции плоской электромагнитной волны на пораженном вредителем семени. Учитывая, что форма бобовых близка к сферической, изменение электрофизических параметров вдоль линейных размеров незначительно, а геометрическую форму, находящегося внутри семени, насекомого (личинка, куколка, имаго) в первом приближении также можно принять близкой к сферической, то задачу о дифракции ЭМВ на пораженном вредителем семени имеет смысл рассматривать как задачу о дифракции плоской ЖВ на объекте состоящем из двух концентрических сфер (рис. I). При этом принимается также, что электрофизические параметры 6 , б* для каждой из рассматриваемых областей рис. I хотя и различны, но постоянны и однородны по все-

Рис. I. К задаче о дифракции З.Ш на Пораженном вредителем семени

Мд, М^ - падапсая и отраженная ШЗ во внешней среде область I;

"'3 *" и отражен-

ная в семени область П; Ы4 - Нг!В во вредителе область 1Е.

му занимаемому ищ объему.

о

/

! * ■ Внешние и. внутренние электромагнитные поля являются решениями уравнений Максвелла

гоЩш 7+

Подстановкой Н~ ¿УЕ=М8 уравнения (2) приводятся к виду

сИоМ=о* I

где к*(*и))> .^[(^-¿б)^]** , .

.В ток случае, когда на сферическое препятствие падает единичная плоская монохроматическая волна с электрическим вектором, поляразо!вакннм, например, параллельно оси У (рис. I), компоненты которой даеют выражения

{Мг;Мо,Щ ~е {¿м8,с<?5&-±1), . - ; .

то решения уравнений (2) для .нащшженностей электрического поля могут быть получены в виде'разложений Область I

ft*f

, /у«я V / *

* £ ЛИ 1 £ ' // ^

Т/^тШя г; Ъг),

Область П

' 1Г Ё бш^Рп(созфй^г)+к\%(ы)]}

' /

/

Ей электрические параметры и влажность ^вмян достаточно хорошо поррелированы между собой. При логарифмической"линеа] изащш" э кс перим енгалышх значений коэффициент корреляции составляет не менее 0,98.

Установлено, что изменение относительной влажности семян гороха на IQÍ приводит к относительному изменению диэлектрических . параметров £ , ¿ и ígS соответственно на 15, 32 и 20%, а изменение относительной влажности семян фасоли на 10% приводит к относительному изменению £ , £ соответственно на 15,5, 29 и IÍSS. В процессе развития одного поколения фасолевой зерновки внутри семян фасоли имеет, место снижение диэлектрических параметров семенной массы í-и^^почти в 2 раза, а£'в.1,3 раза.

Третья глава посвящена теоретическому исследованию процесса СВЧ дезинсекции бобовых,

В первой части главы рассмотрено теоретическое .исследование дифракции плоской электромагнитной волга на пораженном вредителем семени. Учитывая, что форма бобовых близка к сферической, изменение электрофизических параметров вдоль лин&Гшых размеров незначительно, а геометрическую форму, находящегося внутри семени, насекомого (личинка, куколка, имаго) в первом приближении также можно принять близкой к сферической, то гадачу о дифракции ЗМВ на пораженном вредителем семени имеет смысл рассматривать как задачу о ^фракции плоской ШЗ на объекте состоящем из двух концентрических сфер (рис, I). При этом принимается также, что электрофизические параметры í ,/** , (Г для каждой иэ рассматриваемых областей рис. I хотя и различны, но постоянны и однородны по все-

Рис. Г. К задаче о дифракции 31лВ на сраженном вредителем ,семени

Мд, М| - падаюкая и отраженная во внешней среде область I;

Ы2, ¡¿з - падашая и отраженная Я,13 в семени область П;

- Й»3 во Брееттеяе область Ш,

му занимаемому ими объему.

о

Внешние и. внутренние электромагнитные поля являются решениями уравнений Максвелла

7+

= ¿мНшО. . ' С2> '

¿и>{

Подстановкой Н-¡-УЕ-Мё уравнения (2) приводятся к виду гоШ-^кМ, ,„,

где к~("и))} , го=яг/ .

. В тем случае, когда на сферическое препятствие падает единична;! плоская монохроматическая волна с электрическим -вектором, поляризованным, например, параллельно оси (рис. I), компоненты которой имеют выражения ...

[Мг,Мо,Щ = е {втВ.смв^Ь),

то решения уравнений (2) для нагг^чженносгей электрического поля могут быть получены в виде разложений Область I

' 1><Г ** ¿г-!*- ПОI**}'

-*,££;¿пн

Л'*

«

(4)

Область П ХУ* п *■>

7 /

/

/ 00 4»/

1>гг$1п9 £ ^ ^ ковВШЫ)/ я* г /

/ / « /у ^ ^

Егг^Т1ГпШ?Р„(соз(к3г) +/;_ "

£л9=¡¿Г Х^Рп¡¿Пу[Рп(С059)] (5)

4 1 * '

Гпсоигр:ша ^гЛ),

Область Ш

" Яч4 / *

Еаз~ -¿Г 1^и$шг\рп(со$б}\ %(е3г), £_е)

т^тш' £ ^ уРпШВ) /*;,

где Рп(СОЮ) - присоединенные функции Лежандра, - Весселевы функции первого рода,

) - цилиндрические функции Ганкеля второго рода, Вп*1>п*Еп коэффициенты определяемые граничными условиями.

Значение напряженности электрического поля в каждой из рассматриваемых областей определяется суммой падавших и отраженных волн.

Анализ полученного решения, проведенный с учетом конкретных диэлектрических параметров семян (глава П), показал, что напряженность электрического поля зависит,-как от линейной координаты "К так и от угловых координат *3 " и " р Характер распределения модуля напряженности электрического ноля ь семекл вдоль радиуса при постоянных лв " I ' Р " на различных частотах показан на ¿ис. 2, Пр;1 расчетах -ришма-мсь, что альтитуда .т^-давдей волны равна I.

Для оценки эффективности поглощения С5Ч-энергих во вредителе по сравнению с семенем был введен относительной коз^ыщент, рассчитанный по формуле:

/ Рз<? Ран ^В^ЫЧдВг ' (?)

На рис. 3 представлена зависимостьот частоты при разной влажности семени и размерах вредителя, которая показывает, что эффективность поглощения увеличивается с ростом частоты 2Щ, а также с уменьшением размеров вредителя и влажности семени.

Ы -и -

Ю-

дл-

ал-а4_

W*i5% fas 1 l

N

i i d

3 t i ^ i

0 аз Q4 0.6 && 1 Г

1-1—I_I-1—J ж

а)

av 0,6 QS а4

0,3

W=fS% fas

¿ y— f f

7

t— i 1 —1_

цг. й4 аь as i г -i_i_i ¿г

0)

Рис. 2, Распределение модуля напряженности электрического поля в семени при наличии в нем вредителя & fa = 0,5.

а - радиальная компонента напряженности электрического поля:

0 - тангенциальные v - ■..-.■ -.^пичнлсти электрического поля*

1 - /т iooo МГц, .. .=-.■ ; : ,

Рзф 4

3 Z i Q

9000 МГЦ.

Рис, 3, Коэффициент а тивности поглощения С энергии во вредителе сравнению с семенем.

1 - W = IOSj ■

2 - W « 20*. ■

IK-

по

f.ííu

Во второй части главы рассмотрено теоретическое исследование технического воздействия ЭЫ1 СБЧ на пораженное вредителем

-i* На основе решения уравнения теплопроводности Фурье получе-т математические выражеш-я, описывающие процесс СВЧ-нагрева и

/

/ °° / » /.

£?)»= ТЪгЛпв

/

+4^ы]г ■

/Те/ / '

Ем=¿г £ ^ап р[рпш4 (5)

Область 1

¿57" и Ып р[рл'(сш](6)

л»/

/ 00 / /

со$гРпШ9)% (ьг),

где Р„'(Ш$) - присоединенные функции Лежандра, ^Цр^^ - Еесселевы функции первого рода,

цилиндрические функции Ганкеля второго рода, Дл, Т)п,£п .¿л- коэффициенты определяемые граничными условиями. Значение напряженности электрического поля в каждой из рассматриваемых областей определяется суммой падающих и отраженных волн.

Анализ полученного решения, проведенный с учетом конкретных диэлектрических параметров семян (глава П), показал, что напряженность электрического поля зависит/ как от линейной координаты "/* так и от угловых координат "8 " и " Р Характер распределения модуля напряженности электрического ноля в семени вдоль радиуса при постоянных "6> " и ")' " на различных частота* показан на ¿ис. 2. Прп расчетах ..ри дал алое ь, что а'.^ллтуса отдающей ваяны равна I.

Для оценки эф^ктианости поглощения СЗЧ-энергид во вредителе по сравнении с семенем 0ид введен относительных коэ^гциект, рассчитанный ло формуле:

/

а г-Вв. =

; На рис. 3 представлена зависимостьрзф от частоты при разной влажности семени и размерах вредителя, которая показывает, что эффективность поглощения увеличивается с ростом частоты ЭМП, а также с уменьшением размеров вредителя и влажности семени.

\ы

и <0 as о,б!-

ОА

WiS% fas i i

К

i i

3 i i, i

о

аз m _i_i_

Û6 _I_

а& _1_

а)

Рис, 2. Распределение модуля напряженности электрического поля б

семени при наличии в нем вредителя S /а = 0,5,

а - радиальная компонента напряженности электрического поля; б - тангенциальные v ^.ггтйч^лсти электрического поля;

I - / = 1000 МГц,. ; . ' / ' - : .. - 9000 МГц,

Рзф-4

3

г i

о

—í*a¿ —1 = 0.5 — Л

M

4¿ -

>**

i ¿/Гц

Рис. 3, Коэффициент а, тивнооти поглощения Ci энергии во вредителе сравнению с семенем.

1 - W = IOS!;

2 - W - а«. ■

к-

по

Во второй части главы рассмотрено теоретическое исследование термического воздействия ЗШ СВЧ на пораженное вредителем

л. На основе решения уравнения теплопроводности Фурье получены математические выражения, описывающие процесс СВЧ-нагрева'и

а охлаждения семени. При постановке задачи предполагалось, что семя имеет форму сферы радиуса и внутри него помещен вредитель радиуса , а также допускалась однородность г постоянство теп-лофизических параметров для семена и для вредителя по всему занимаемому ими объему. Количество теплоты шдэляадейся под действием ЗЩ СВЧ в семена и во вредителе определялось с учетом. Распределение температурных полей в семени Тгя ТгСС/} и во вредителе 7/ = ЛСС,г) принималось центрально-симметричным.

Выражения описывающие температурные поля в семеня и во вредителе при СВЧ-нагреве лмеют вид:

я" при 0<ЙЛХ , (3)

Охлаждение семони и вредителя после СВЧ-нагрева ояисывается следуотими выражениями: ^

' драж*'*. (9)

■ при

ГДЙ ' , .

Шг.яьЩ^--, &М- 15(С'%Т" \

■ R Ri' '

№($)> №)- функции зависящие только от линейной координаты;

Tot t Tai - начальное температуры вредителя и семени; TS - темае-ратура окружающей среды (воздуха); Bi *Вг - "ОЭф$дциенгы определяемые тешюфизи"гескями парамьграми; Сп , Ъп - коэффициенты определяемые с учетом начальных условий; G,m ,£m - коэффициенты определяемые с учетом конечных температур при СЗЧ-нагреве; ¿л ,-

Я» t Гт Лт - собственные значения определяемые гранична«» условиями; Г - координата времени.

• Численный анализ полученного регениг показывает, «то на рас-

пределение температурных полей в семена я во вредителе существенное влияние окаэнвает частота ЭШ, размеры насекомого, влажность семян и условия теплоотдачи на поверхности семени. Характер распределения температурных полей в семени 'и во вредителе представлен на рис. 4. 3 данном случае расчет проводился для семени радиусом Яг = 3,5 мм, влажностью 15^. Размер вредителя /9/ = 1,75 ш, начальная температура семени, вредителя к воздуха -20 °С, удельная поглощаемая з семени СВЧ-мощность 1,85 кВт/кг, время напева 100 с. Коэффициент теплоотдачи на поверхности семени " варьировался от 7,4 до 74 Вг/м2*К.

ол _|_

0.4 _

0.6 —

а$

_I_

и

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

. I - / = 1000 МГц;

2 - / = 3000 МГц;

3 - / = 9000 МГц-

--= 7,4 Вт/м *К; - - = 74 Вт/м2*К.

На рис. 5 показана динамика охлаждения центральной точки и поверхности семени без вредителя.

в А

3

г ./

,о

/

\ г

N <

л »1

М-ш

о

и.

80 _

ио

_I—

ЯО _1

Рис, 5. Расчетные кривые динамики охлаждения центра и поверхности семени после СВЧ-нагрева;

I - Яш 0; 2-Я = I;

--сС =: 7,4 Вт/аЛк;

- - Ж = 74 Вт/м2*К.

г, С

Расчетные кривые свидетельствуют о том, что согласно гипотезы "теплового воздействия" эффективность СЬЧ дезинсекции возрастает с ростом частоты. Крог,:е того, увеличение коэффициента теплоотдаче на поверхности семеня при СЗЧ-нагреве позволяет но-

и ограждения семени. При постановке задачи предполагалось, что семя имеет форму сферы радиуса и внутри него помещен вредитель радиуса /?/ , а также допускалась однородность г гостоянство теп-лофизичеоких параметров для семени и для вредителя по всему занимаемому ими объему. Количество теплоты выделяющейся под действием £Щ СБЧ в семени и во вредителе определялось с учетом fi3¡p . Распределение температурных полей в семена Ti= Tiftf) я во вредителе Ъ - Тл(Т,г) принималось центрально-симметричным.

Выражения описывающие температурные поля в семе™ и во вредителе при СВЧ-нагреве имеют вид:

при 0<RiX- , (3)

(^fl^Sin^R + Í [-{r»/B¿)\]

при х<$41.

Охлаждение семони и вредителя после СЗЧ-нагрева описывается следующими выражениями: ^

г]

' при _ (9)

+&,) ехр[-{f„/&j)T]

т" пр Ilí^/,

где ■ ,

¿-.А-

■ к Ri> х Ri >

функции зависящие только от линейной координаты» Toi . Тог - начальные температуры вредителя и семени; T¿ - температура окружающей среды (воздуха); ¿57 ,Вг - коэффициенты определяемые теплофизическиыи параметрами; Сп ,Ъп - коэффициенты определяемые с' учетом начальных условий; Stm *£m - коэффициенты определяемые с учетом конечных температур лрп СЗЧ-нагреве; Ур ,

% ,/% - собственные значения определяемые граничные ус- ■ ловиями; Г - координата времени.

Численный анатиз полученного рер'ениг показывает, пто на рас-

ю

пределе ни е температурных долей в семен:1 я во вредителе существенное влияние оказнвает частота ШП,-размеры насекомого» влажность семян и условия теплоотдачи на поверхности семени. Характер распределения температурных полей в семени "и во вредителе представлен на рис. 4. 3 данном случае расчет проводился для семени радиусом Яг. - 3,5 мм, влажностью 15$. Размер вредителя = 1,75 мм, начальная температура семени, вредителя и воздуха -20 °С, удельная поглощаемая з семени СВЧ-мотность 1,85 кВт/кг, время нагрева 100 с. Коэффициент теплоотдачи на поверхности семени " о^ " варьировался от 7,4 До 74 Вт/м2*К.

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

■ 1 / = 1000 ЫГц;

2 - / = 3000 МГц;

3 - { ~ ЭООО МГц:

-„С = 7,4 Вт/м 'К;

-.-¿ш 74 Вт/м2*К.

На рис. 5 показана динамика охпакдения центральной точки и поверхности семени без вредителя.

в 4

3

г у

.о

4

\ Г

1 <

* А

о

80

НО ЛО

Рис. 5. Расчетные кривые динамики охлаждения центра и поверхности семени после СВЧ-нагрева:

1-/?=0;2-Д = 1;

— сС = 7,4 Вт/м2'К;

- - сС = 74 Вт/м2*К.

Т,С

Расчетные кривые свидетельствуют о том, что согласно гипотезы "теплового воздействия" эффективность СаЧ дезинсекции возрастает с ростом частоты. Кр«,:е того, увеличение коэффициента теме от дачи ка поверхности семени при СЗЧ-нагреве позволяет по-

высить температуру во ьредите..е по сравнению с семенем, а при охлаждении быстро снять воздействие В1 ^оких теыггератур,- Расчеты юказ&ч'! также", что с увеличением влажности семян снижается температура нагрева вредителя, а с увеличением размеров вредителя температур^ его нагрева возрастает. Скорость СЗЧ-нагрева семян при изменении удельной поглощаемой СВЧ-мещности от 0,20 до 3,00 кВт/кг меняется в пределах 0,1 - 1,6 °С/с.

В че-вертрй эда^з излажены результаты экспериментальных исследований по проверке адекватности математических моделей СВЧ- . нагрева и охлаждения семени, а также результаты экспериментальных исследований по СВЧ дезинсекции семян гороха л фасоли.

Был разработан датчик температуры,'позволяющий измерять температуру в центре и на поверхности семени. На рис. 6 показаны экспериментальные точки и расчетные кривые динамики иагрзва центра и поЬерхности семени гороха диаметром 7,540,1 ш в СЬЧ-печи "Электроника" при частоте ЗШ 2450*50 КГц, а также эксперимент талыше точки и расчетные, кривые динамики охлаждения. Удельная поглощаемая в семена СЗЧ-мошюсгь составляла 1,(5210,05 кВт/кг. Результата эксперимента хорошо согласуются с теоретической модель», расхождение не превыше :т 10?. '

Рис. б. Расчетные кривые и экспериментальные точки динамики С3"-нагрева и охлаждения - центра и поверхности семени:

1 г центр семени;

2 - поверхность семени.

*7вщС

, .» .

Для экспериментальных исследований по ¿34 дезинсекции семян гороха и фасоли исподьзсвялиоь установки двух типов - непрерывного излу .ения (частотой ЖГ 245СР-60 МГц и мощностью 0,5 кВт), а

Рис, 7. Структурная схема импульсной СЭЧ-установки, ■

1 - источник питания (преобразователь сетевой частоты МАН 6000);

2 - блок управлек^л источником питания; 3 - стабилизатор напряжения; 4 - блок управления модулятором; 5 - модулятор; В - магнетрон; 7 - царкулятор: 0 - волноводный тракт: а - устройство изменения поляризации ШВ;10 - излучатель; II - рабочая камера,

также разработанная на базе модулятора посадочного радиолокатора РП-ЗГ импуг.ьсная установка (частотой Ef.il! 9350*100 МГц и импульсной мощностью 55-130 кВт). Структурная схема импульсной СЗЧ-ус-тановки приведена на рис. 7.'

После проведения большой серии экспериментов с использованием методов планирования эксперимента было установлено, что нижняя граница 100$-Й гибели насекомых находится в пределах 72-75 кИк/кг, а также получена регрессионные модели влияния удельной поглощаемой мощности СВЧ, времени воздействия и алажнссти семян на их посевные качества. Замечено, что качество обеззараженных семян очень сильно зависит от величины удельной поглощаемой СЗЧ-мощяости. Наиболее благоприятные режимы при значениях удельной поглощаемой СВЧ-мошности венее I кВт/кг, при этом темп нагрева семян не превышает 0,6 °С/с, Лучше проводить обработку семян с меньшей влажностью. На рис,8 показаны ношятэамиы всхожести семян гсуоха в зависимости от режимов СВЧ-обработки (всхожесть семян на контроле составляла Ь2%). Интенсивный обдув сзмян потоком воздуха во взвешенном состоянии после СВЧ-облучения положительно сказывается на их всхожести. Гистограммы всхожести семян гороха после облучения с последуюэим обдувом и без него показаны на рис. 9. Наиболее эффективна обработка семян в оЗгемном резокато-

высить температуру во вредителе по сравнению с семенем, а при охлаждении быстро снять-воздействие блоках температур,-Расчеты показали также', что с увеличением влажности се\,як снижается температура нагрева вредителя, а с увеличением размере:) вредителя температура его нагрева возрастает. Скорость СВЧ-нагрева семян при изменении удельной поглощаемой СБЧ-мощности от 0,20 до 3,00 кВт/кг меняется в пределах 0,1 - 1,6 °С/с.

ду^вертой гларе изложены результаты экспериментальных исследований по проверке адекватности математических моделей СВЧ-нагрева и охлажден/я семени, а также результата экспериментальных исследований по СБЧ дезинсекции семян гороха и фасоли.

Был разработан датчик температуры,'позволяющий измерять температуру в центре и на поверхности сшени. На рис. 6 показаны экспериментальные точки и расчетные кривые динамики нагрева центра и доЁерхности семени гороха диаметром 7,5^0,1 мм в СНЧ-печи "Электроника" при частоте ЭШ 2450*50 МГц, а также экспершен-талыше точки и расчетные кривые динамики охлаждения. Удельная поглощаемая в семени СВЧ-мощность составляла I,5210,05 кВт/кг. Результаты эксперимента "хорошо согласуются с теоретической моделью, расхождение не превши :т 10$. '

Рис. 6. Расчетные кривые и экспериментальные точки диначикя СВМ-нагрева и охлаждения ■ центра и поверхности семени:

1 г центр семени;

2 - поверхность семени.

0 70г „

1_\Тн,С

0 60 ■ /6й „

1-—л_I_\шя,С

Для экспериментальных исследований по СЗЧ дезинсекции семян гороха и фасоли использовались установки двух типов - непреры- чо-го излу .ения (частотой ЭМП 245СЯ-50 МГц и мощностью 0,5 кВт), а

Рис, 7. Структурная схема импульсной СВЧ-установки.

1 - источник питания С преобразователь сетевой частоты HAH 6000)}

2 - блок управления источником питания; 3 - стабилизатор напряжения; 4 - блок убавления модулятором: 5 - модулятор; 6 - магнетрон; 7 - циркулятор: -3 - волноводный тракт: э - устройство изменения поляризации шВ;Ю - излучатель; II - рабочая камера,

такке разработанная на базе модулятора посадочного радиолокатора РЦ-ЗГ импульсная установка (частотой ЭШ 935СЙ00 МГц и импульсной мощностью 55-130 кВт). Структурная схема импульсной СЗЧ-ус-тановки приведена на рис, 7.'

После проведения большой серии экспериментов с использованием методов планирования эксперимента было установлено, что нижняя граница 100^-й гибели насекомых находится в пределах 72-75 кДж/кг, а также получены регрессионные модели влияния удельной поглощаемой мощности СВЧ, времени воздействия и влажнеети семян на их посевные качества. Замечено, что качество обеззараженных семян очень сильно зависит от величины удельной поглощаемой СЗЧ-нощности. Наиболее благоприятные режимы при значениях удельной поглощаемой СЗЧ-мошкости венее I кВт/кг, при этом темп нагрева семян не превышает 0,6 °С/о. Лучше проводить обработку семян с меньшей влажностью. На риС,8 показаны номограммы всхожести семян гс*>оха в зависимости от режимов СВЧ-обработкн (всхожесть семян на контроле составляла И2%). Интенсивный обдув семян потоком воздуха во взвешенном состоянии после СБЧ-обл учения положительно сказывается на их всхожести. Гистограммы всхшести семян гороха после облучения с йоследувшим обдуром и без него показаны на рве, 9, Наиболее эффективна обработка секян в объем нет.: резонато-

Р. кВт/кг ■ 14

14

ОЛ

Й7.? 85% 82% 75%

60

60

Ас

Рис. 8. Номограммы всхожести' семян гороха "Топаз" после СВЧ-аблучения,

Рас. 9. Гистограммы всхожести семян гороха после СВЧ-облучения;

1 - облучение без обдува;

2 - облучение с обдувом; К - контроль.

ре или под излучателем с круговой поляризацией ЭМЗ (при этом устраняется зависимость напряженности электрического поля в семени и вредителе от угловых координат), а также облучение импульсным ИШ на частоте 9350^100 МГц {имеет кесто сниуение энергозатрат в среднем на 20-25$), Были проведены исследования по влиянию СВЧ-воздействия на продовольственные качества гороха и фасоли, показавшие, что СВЧ-обработка практически не влияет на их продовольственные качества. Удельные энергозатраты ери СВЧ-дезинсекции гороха и фасоли составляют 75-80 4д/кг, или (с учетом эффективности использовакгл электроэнергии 70$) - 0,023-0,032 ¡.Вт'ч/кг. При термической дезинсекции пшеницы на зерносушилках на Г кг зерна расходуется 0,003-0,004 кВт'ч электроэнергии и 0,004-0,005 кг жидкого топлиза, что в сумме по энергозатратам составляет 180-220 кДд/кг, или-'0,050-0,061 кВт*ч/кг. .

. Следует отметить такке, что экспериментальные данные полностью подтверждают результаты теоретических исследования, которые могут быть использованы для моделирования процессов СВЧ-об-работки семян.

В дато,, удаве приведена экономическая оценка эффективности СБЧ-установки дая для дезинсекции семян бобовых и рассмотрены перспективы их применения в семеноводстве.

Экономический эффект от применена СЗЧ-установки составляет-

0,38 руб/кг при дезинсекции семян гороха и 2,40 руб/кг .при дезинсекции семян фасоли* Экономический эффект от применения СВЧ-уетаяовки при предпосевной обработке семян гороха составляет 0,90 руб/кг,

ОБЩИЕ ШВОЛУ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Проведенные исследования показани, что одним из перспективных способов дезинсекции семян бобовых от насекомых вредителей является их обработка ЭМ1: СВЧ.

2. В результате измерен:^ диэлектрических парал-отров семян гороха и фасоли в широком диапазоне влажности (10-21;?) получены эмпирические зависимости, позволившие провести теоретические кс-следоЕ ШИя процесса СВЧ дезинсекции с* учетом влажности семян. ■

3; Разработанная математическая модель дифранции электромагнитной волны на пораженном вредителем семени'и расчеты проведенные с учетом размеров семени и вредителя, влажности семян и частоты ШП позволили выявить существенную неравномерность напряженности электрического годя в семени и зависимость ее от- сферических координат, что дало возможность определить относительную эффективность поглощения^ СВЧ-з лергии в семени и во вредителе и сделать ряд практических рекомендаций для СВЧ дезинсекции.

4. Разработанная математическая модель термического воздействия ЭШ при СВЧ дезинсекции и проведенные расчеты позволили оценить влияние тешюфиэичесглх параметров семян, их влажности я размеров, размеров вредителя, условий теплообмена и частотного диапазона ЭШ СВЧ на эффективность дезин-екции. Установлено, что повышение частоты ЗМЕ приводит к увеличению эффективности дезинсекция. Наиболее эффективна СВЧ-обработка семян с меньшей влажностью, Определены количествен^ показатели влияния удельной поглощаемой в семени СВЧ-мощкости на скорость нагрева семян, что позволило оценить граничные значения интенсивности СВЧ-воздейст-вия и оптимизировать экспериментальные исследования,

5. Разработан датчик температуры с помощью которого экспериментально подтверждена адекватность термической модели СВЧ дезинсекции семян бобовых.

6. С учет»' полученных результатов теоретических исследований была разработана и создана экспериментальная импульсная СБЧ-усталовка на базе модулятора посадочного радиолокатора РП-ЗГ. Экспериментальные кс следования проведенные к;. ккяульсно;: Х^Ч-ус-

тановке показали перспективность использования для СБЧ дезинсекции импульсных электромагнитных полей большой мощности (до иО кВт в импульсе) и высокой частоты (9250-9450 МЙ)).

7, Экспериментальные исследования подтвердили результаты теоретических разработок и показали, что'энергию ЗИП СВЧ можно и необхвдимо использовать даы дезиьсекции сэмян бобовых. Полученные регрессионные модели влияния удельной поглощаемой СВЧ-мощ-носта, времени воздействия и влажности на всхожесть семян позволили определить оптимальные для семян режимы СВЧ дезинсекции. Сравнительный анализ СВЧ дезинсекции семян непрерывным '2450*50 МГц) и импульсным (9350*100 МГц) ЭШ показал, что при обработке импульсный ЭДД имеет место снижен,в энергозатрат в среднем н& 20-2535,

8, Наиболее э&.ектиыл СВЧ дезинсекция семян при круговой поляризацгл электромагнитной волны, ■

9, Экспериментальными исследованиями подтверждено теоретическое предположение о значимости интенсивного охлаждения семян после^ СЗЧ-обработкл, Интенсивный обдув семян потоке«.! воздуха после СВЧ-нагрева снижает потери всхожести семян,

10, Фактический экономический эффект от применения СЗЧ-ус-тановки составил 0,38 руб/кг при дезинсекции семян гороха и 2,40 руб/кг при дезинсекции семян фасоли. Операцию СВЧ дезинсекции семян бобовых целесообразно включать в технологически схему послеуборочной обработки семян,

11, Энергию 5МП СВЧ можно использовать-в технологии подготовки семян к посеву. Фактический экономический эффект от применения СВЧ-установки при предпосевной обработке семян гороха составил 0,90 руб/кг. .

12, СЗЧ-обработка семян гороха и фасоли при режимах дезинсекции практически не влияет на их продовольственны1* качества и может быть использована для обеззараживания продовольственных запасов.

ПУКИ АКАЦ ИИ '

1. Вендин С,В. СВЧ дозинсекция семян гороха от гороховой зерновки/ У1 Всесоюзная научно-техническая конференция "Электрофизические методы обработки пищевых продуктов и сельскохозяйственного сырья.- И.: 1939, С.126,

2. Решение БНШГПЭ форла 1/3 от 28.03.90 г. по заявке

# 4736102/31 от 08.09.89 г. Устройство для дезинсекции семян/ Бородин K.'î,, Вендпн С.В,

3. Решение ВНШГПЭ форма 1/9 от 22.11,89 г. по заявке

* 4622675/24 от 20.12.83 г. Способ обработки диэлектрических материалов/ Бородин И.Ф., Векдан С,П., Кузнецов С,Г., Михайлов М.Д.

4. Решение ВЕШГДЭ форма 1/9 от 26.04.89 г. по заявке

Л 4499612/30 от 28.10.98 г. Устройство для обработки семян/ Бородин И.Ф., Кузнецов С.Г., Вендин C.B.

5. Решение ВШ1ГПЭ форма 1/9 от 27.08.90 г, по заявке

Л 4798331Д5 от 02.02.90 г. Устройство для СЗЧ-обработки семян/' Бородин И.Ф., Вешщн С.В,

6. Шарков Г.А.,. Вендин C.B. Математическая модель процесса СВЧ-нггрева семян в псевдоожиженном слое// Моделирование и автоматизация технологических процессов сельскохозяйственного производства: Сб.научн.тр./ №Ш1.-М.,1987,-С.33-36.

7. Шарков Г.Л., Вендин C.B. Процесс дезинсекции семян при диэлектрическом нагреве// Вычислительная техника в управлении сельскохозяйственным производством: Сб.научн.тр./ МИИСП.-М,,

1988.-С.16-22.

8. Бородин И.Ф., Вендич С.В.' Рассеяние плоских электромаг-hhthl_î волн сферическим препятствие1"// Автоматика и электромагнитные поля в сельсксм хозяйстве: С5.научн.тр,/ МИШ1.-М.,

1989.-C.5-I0.

9. Вендин C.B. К вопросу СВЧ дезинсекции семян бобовых культур// Автоматака и вычислительная техника в сельскохозяйственном производстве: Сб.научн.тр./ Ш1СП.-М.,1990.-С,45-48»

10. Всхожесть семян можно повысить/ Л.Ф.Кононков, В.И.Стар-цэв, С.В.Ревдид// Картофель и овощи.-1990, #2.- С.24-25,

л -

Объем I п.л.

Подписано в печать оло. оо Тираж 100 экз. Заказ &

Ротапринт Московского ордена Трудового Красного Знамени института инженеров сельскохозяйственного производства имени В^П.Горячкина

Москва, 127550, Тимирязевская ул., д.58.