CC BY
61
Научный журнал КубГАУ, №113(09), 2015 года
1
УДК 621.631
05.00.00 Технические науки
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Нормов Дмитрий Александрович д.т.н., профессор SPIN-код: 5209-0453
Пожидаев Денис Владимирович аспирант
SPIN-код: 6170-7617
Волов Ростислав Викторович студент
Паршинцев Павел Петрович студент
Левшакова Надежда Сергеевна Кубанский государственный аграрный университет, Россия, 350044, Краснодар, Калинина, 13
В данной статье раскрываются вопросы, связанные с применением электротехнологий в аграрном производстве. Работа содержит теоретические и практические результаты применения озона в сельском хозяйстве
Ключевые слова: ЭЛЕКТРООЗОНИРОВАНИЕ, ОЗОН, АГРАРНЫЙ, ДЕТОКСИКАЦИЯ, СТИМУЛИРОВАНИЕ, СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО, ДЕЗИНСЕКЦИЯ, КОНЦЕНТРАЦИЯ ОЗОНА
UDC 621.631 Technical sciences
PERFORMANCE ANALYSIS OF ELECTRIC TECHNOLOGIES IN AGRICULTURAL PRODUCTION
Normov Dmitriy Aleksandrovich Dr.Sci.Tech., prof.
SPIN-code: 5209-0453
Pozhidaev Denis Vladimirovich postgraduate student SPIN-code: 6170-7617
Volov Rostislav Viktorovich student
Parshintcev Pavel Petrovich student
Levshakova Nadezhda Sergeevna
Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia
This article presents issues related to the use of electric technologies in agricultural production. The work contains the results of theoretical and practical application of ozone in agriculture
Keywords: ELECTRO OZONATION, OZONE, AGRARIAN, DETOXIFICATION, STIMULATION, AGRICULTURE, DISINFECTION, OZONE CONCENTRATION
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРООЗОНИРОВАНИЯ НА
ВСХОЖЕСТЬ СЕМЯН.
Условно, структурная схема семени представляет собой взаимосвязь внутренней энергии семян и энергии процессов, происходящих в семени в процессе его жизни, развития и роста.
Механизм приращения энергопродуктивности за счет поглощения растениями озоновоздушной смеси в настоящее время находится в стадии изучения[1,6,7].
В теоретических исследованиях мы исходим из того, что семена растений обладают резервом энергии, которая аккумулируется в
http://ej .kubagro.ru/2015/09/pdf/03 .pdf
Научный журнал КубГАУ, №113(09), 2015 года
2
питательных тканях семян, от ее количества зависит энергосодержание урожая. На ранних этапах она является питательным субстратом для семян. У зерна кукурузы, резервной энергией является эндосперм. Энергия для роста проростков освобождается при гидролизе углеводных запасов.
Высвобождение энергии из органических соединений происходит под влиянием температуры и влажности. Поместив семена в озоновоздушную среду, мы создаем благоприятные условия для высвобождения резервной энергии, т.е. для гидролиза углеводного субстрата[3,6,7]. Одновременно происходит поглощение дополнительной энергии озона, который воздействует на энергетический запас (WS), который аккумулируется в питательных тканях семян. При нагреве увлажненных семян мы запускаем механизм высвобождения энергии, т. е. гидролиза углевода. Энергия запаса расходуется на рост и обмен веществ в биологическом организме (WA).
После появления проростков, до полного развития растения, его рост и развитие обусловлены потоком энергии из семени. Энергия роста (WR) расходуется на формирование и накопление сухого вещества растения (Wj), а также на транспорт продуктов, образованных в результате фотосинтеза растений (WA).
Энергия активного блока (WA) распределяется следующим образом: часть ее идет на запас энергии (аккумулируется в углеводы), часть утилизируется (Wo). В процессе формирования сухого вещества растений часть энергии теряется - процессы, связанные с дыханием. Из динамической модели приращения энергпродуктивности следует, что энергетический потенциал растения формируется в процессе предпосевной обработки семян озоном, фотосинтеза, роста и развития растения.
Рост - своеобразный биологический двигатель и регулятор, усиливающий или ослабляющий процессы образования, обмена и передвижения веществ в организме. В жизненном цикле растений
http://ej .kubagro.ru/2015/09/pdf/03 .pdf
Научный журнал КубГАУ, №113(09), 2015 года
3
выделяют два периода: формирование вегетативной сферы растений -корней, стеблей, листьев; формирование генеративной сферы - соцветий, цветков и органов размножения - плодов и семян.
Рост растений тесно связан с физиологическими процессами: питанием, фотосинтезом, водообменном и др., на интенсивность которых определенным образом влияет озонирование семян перед прорастанием. В литературе отсутствуют данные, характеризующие оптимальный режим воздействия озона на рост и урожай растений, в частности ячменя, проса, кукурузы и кормовой свеклы.
При предпосевном воздействии озона на семена кукурузы растения отличаются быстрым ростом и к VIII-IX этапам органогенеза заметно превышают растения контрольного варианта.
При предпосевном воздействии озона формируется не только большая листовая площадь, но и темпы развития ассимиляционной поверхности более быстрые, чем у растений контрольного варианта. Данное явление интересно тем, что быстрый рост листьев, большая их поверхность способствуют более эффективному использованию солнечной энергии, необходимой для образования органического вещества. Следовательно, озон можно использовать в качестве фактора, повышающего хозяйственную полноценность фотосинтеза. Подтверждением этого служит большее накопление сухих веществ при предпосевном воздействии.
На ранних этапах развития растений разница по накоплению сухих веществ между опытными и контрольными вариантами больше, чем на поздних. Так, разница по этому показателю может составлять от 14 до 33 %.
Рост и развитие растений связаны друг с другом, определяются особенностями организма и находятся в тесной зависимости от факторов среды. По данным В. Н. Лысова, растения каждой эколого-географической
http://ej .kubagro.ru/2015/09/pdf/03 .pdf
Научный журнал КубГАУ, №113(09), 2015 года
4
группы (экогруппы) характеризуются определенными количественными признаками, подверженными колебаниям, один из которых - высота главного стебля. Рост растений, поскольку его показатели отражают интегральную равнодействующую временного хода многих физиолого -биохимических процессов, а также взаимодействие генотипа со средой, можно применить в числе наиболее перспективных физиологических процессов при разработке методов программирования урожая.
Данные, полученные из разных регионов, свидетельствуют о специфической реакции растений на меняющиеся факторы внешней среды, а также об адаптивных возможностях каждого сорта. Чем выше адаптация у растений, тем меньше пределы колебаний показателей роста по годам у сортов и образцов. Интенсивность ростовых процессов в значительной степени обусловлена климатическими факторами, однако сорта и образцы различного географического происхождения характеризуются собственными темпами роста и своеобразной реакцией. Интенсивный прирост наблюдается начиная с III-IV этапов органогенеза и продолжается до VII-VIII этапов, затем ростовые процессы замедляются.
Зная, что воздействие озона положительно влияет на органогенез растения и ускоряет его развитие можно предположить, что семена подвергшиеся обработке будут более устойчивы к изменению окружающей среды, а следовательно адаптивная устойчивость
увеличится[6,7].
Всхожесть семян один из важнейших показателей продуктивности семян и их качества. По всхожести семян можно прогнозировать будущую урожайность. Поэтому немаловажной задачей является определение влияния озоновоздушной смеси на всхожесть семенного материала.
Можно предположить, что внутренняя энергия семян является функцией от энергетического баланса семян.
^ = f(W), (1)
http://ej .kubagro.ru/2015/09/pdf/03 .pdf
Научный журнал КубГАУ, №113(09), 2015 года
5
где Y - всхожесть семян исследуемого вида; W - энергетический баланс семян.
В свою очередь энергетический баланс растения можно представить в следующем виде
W = W + W + W - W - W , (2)
S R A J O
где: WS - энергия, переходящая в запас питательных веществ (углеводы), ккал/кг; WR - энергия роста растений, МДж/ц; WA - энергия, направленная на накопление продуктов ассимиляции, МДж/ц; Wj - энергия расходуемая на формирование сухого вещества, МДж/ц; Wo - энергия, связанная с дыханием и обменом веществ, МДж/ц;
Таким образом, энергетический баланс семян при воздействии озоновоздушной смеси можно представить, как
W' = W + W + W + W - W - W , (3)
O3 S R A J O
где: Wo3 - энергия поступающая в семена за счет воздействия озона, МДж/ц.
Рассмотрев уравнения энергетических балансов семян, мы видим, что они отличаются на величину Wo3, следовательно, приращение всхожести будет зависать от величины отношения этих величин
Y ' = f
WO3+WS +WR +WA ~WJ ~WO ' WS +WR +WA ~WJ ~WO
(4)
Из экспериментальных данных известно, что среднее увеличение всхожести составляет примерно 16 %, следовательно, можно
предположить, что отношение урожайностей составит
Г
— = 1,16 Y
И как следствие получаем
(5)
http://ej .kubagro.ru/2015/09/pdf/03 .pdf
Научный журнал КубГАУ, №113(09), 2015 года
6
Г = WO3 W +WR +WA W ~WO = ]J6
Y W +W +W -W -W S R A J O
(6)
Данный прирост энергии можно объяснить следующим - семенам растений, как и всему живому, для поддержания жизненных функций необходимо получать энергию.
Данный прирост энергии можно рассмотреть, как энергию, полученную в процессе образования озона
W = — •
'' O3
J
1
no e• (n+m+ + n-m- + neme) S’
(7)
где: n0 - максимальное число пар противоположно заряженных частиц, образующихся в единице объема; е - заряд электрона; ре - подвижность электронов; n+, n-- плотности положительных и отрицательных ионов; n е -плотность электронов; l - средняя длина свободного пробега электронов в газе; d - коэффициент, учитывающий долю энергии, отдаваемой при столкновении с частицей; Е - напряженность электрического поля; j -плотность тока; 1н - номинальный ток генератора озона.
Данная формула содержит неизвестные переменные, что затрудняет расчет. В связи с этим необходимо использовать другие способы определения энергии образования озона, например проведение эксперимента.
Основную массу белка, более 80 % в зрелом зерне кукурузы составляют спирторастворимые фракции - зеин и щелочнорастворимые -глютелиновые. Эти белки являются энергетическими запасами эндосперма наряду с крахмалом, которого в зерне более 70 %. Данные энергетические запасы используются растением при прорастании семени до выхода проростка на поверхность почвы. При посеве семени во влажную, прогретую почву запасные энергетические вещества распадаются на более простые элементы. Зеин белка разлагается на свободные аминокислоты,
http://ej .kubagro.ru/2015/09/pdf/03 .pdf
Научный журнал КубГАУ, №113(09), 2015 года
7
крахмал - на полисахариды. Озон, воздействуя на семя, провоцирует распад запасных энергетических веществ. Как показывают лабораторные исследования, семена, обработанные озоном, прорастают дружнее, с повышенной энергией, что указывает на сильное воздействие озона, по эффективности аналогичное стимуляторам роста. Ускоряя процессы разложения сложных белков и крахмала на составляющие элементы, озон, являясь сильным окислителем, одновременно действует как эффективный протравитель, уничтожающий инфекцию фузариоза, головневых грибов. Стимулируя распад сложных запасных веществ в эндоспермах, снимая нагрузку на преодоление эффекта зараженности грибковой инфекцией, озон обеспечивает более активный рост корневой системы, особенно первичного корня. Это повышает устойчивость растений к недостаточному влагообеспечению кукурузы в период вегетации.
Специфика воздействия озона - большая окислительная способность и повышенная активность. Проникая в семенные покровы, озон увеличивает снабжение семян активными формами кислорода, а также способствует появлению дополнительного источника Н2О непосредственно в семенах, которая используется пероксидозой, что ведет к стимулированию пектофосфатного пути. Иными словами, обработка озоном позволяет повысить активность некоторых ферментов.
Также имеются опытные данные о том, что озон несколько ингибирует дыхание семян и, следовательно, обработанные семена к посеву сохраняют больший запас питательных веществ, чем необработанные.
В 2008 году учеными селекционерами КНИИсх им П.П.Лукьяненко установлено последействие обработки семян гибрида кукурузы Кр 633 МВ озоном на третий год после обработки (третье поколение). На третий месяц роста растений средняя высота необработанных растений составила 1,574 м, растения, выросшие из
http://ej .kubagro.ru/2015/09/pdf/03 .pdf
Научный журнал КубГАУ, №113(09), 2015 года
8
обработанных семян (в третьем поколении) имеют среднюю высоту 1,779 м, при этом средняя ширина листа у необработанных и обработанных растений соответственно 0,092 м. и 0,097 м. Такой эффект объясняется снижением нагрузки на семя по обсемененности грибами и бактериями.
Как известно, воздействие озона, при обработке семян сельскохозяйственных культур, зависит от характера распределения и поглощения озона по всему объему обработки[5].
При пропускании через слой семян озоно-воздушной смеси, часть озона будет поглощаться в связи, с чем содержание озона снизится, соответственно часть зерна не может быть обработана при заданной концентрации озона.
В связи с чем, для достоверного определения влияния озоновоздушной смеси на обработку зерна, необходимо выявить
закономерности поглощения озона семенами и измерить соответствующие параметры.
Скорость поглощения озона семенами из озоно-воздушной смеси определяется сорбционной активностью зерна и значением концентрации озона.
Эту зависимость можно описать уравнением вида
dC_
dt
= - К • C • S,
(8)
3
где С - концентрация озона, мг/м ; Кс - константа скорости поглощения озона единицей объема зерна мг/м с; S - площадь зерновой массы, м .
Для определения константы скорости поглощения озона через слой семян пропускалась озоновоздушная смесь с определенными параметрами (и, V, S, C) и через определенные промежутки времени измерялась концентрация озона на входе и выходе слоя зерна.
Изменение концентрации озона в озоно-воздушной смеси может быть описано уравнением вида
http://ej .kubagro.ru/2015/09/pdf/03 .pdf
Научный журнал КубГАУ, №113(09), 2015 года
9
dC S [Цс0 - C)- KCCV],
(9)
dt V
где и - скорость подачи озоно-воздушной смеси, м/с; V - объем
3 3
обрабатываемого зерна, м ; Со - концентрация озона на входе, мг/м ; С -
о
концентрация озона на выходе, мг/м .
Решение уравнения (9) имеет вид
С Cu
v + К • S • V
( v + К • S • V^
1 - exp • t
l V 2
(10)
Из уравнения (10) при известных параметрах и, V, C, S можно определить величину константы скорости поглощения озона зерном. Поскольку уравнение (9) является трансцендентным относительно Кс и его решение в элементарных функциях не может быть получено, поэтому величину Кс вычисляли по уравнению (10) методом итераций с помощью ЭВМ.
При продувании озоно-воздушной смесью слоя семян некоторой толщины происходит поглощение озона зерном.
Математическое описание распространения озона по глубине слоя зерна может быть основано на представлении движения озоновоздушного потока в виде плоского фронта. В стационарном режиме уравнение распространения озона будет иметь вид
dC _ кс • s(x)• с
dX ~ и ’
(11)
где С - концентрация озона, мг/м ; и - скорость движения озоновоздушной смеси через слой семян, м/с; Кс - константа скорости поглощения озона единицей площади поверхности семян мг/м с; S(X) -площадь взаимодействия поверхности семян с озоном в фронте распространения озоно-воздушной смеси, м2.
http://ej .kubagro.ru/2015/09/pdf/03 .pdf
Научный журнал КубГАУ, №113(09), 2015 года
10
Предположим, что константа скорости поглощения озона семенами в установившемся режиме изменяется по экспоненте и может быть описана соотношением
Кс =-Ko • еХр[-РС] ,
(12)
где К0 - величина константы скорости поглощения озона семенами при концентрации озона, равной нулю; в - константа, характеризующая зависимость скорости поглощения озона от концентрации озона.
Тогда решение уравнения (13) с учетом (10) можно представить в следующем виде
Свых ВС
* еи
1
Свх
C
■ dC
Ko
u
п
1 S( X )dX,
o
(13)
где Свх, Свых - концентрация озона в газовой смеси на входе и выходе слоя семян; h - толщина слоя семян.
Решение уравнения (13) будет иметь вид
Свых (fC лсвых ,
Свых ВС Свых* f гу-* г2г2 /Зг3\ п
1 СС 1 С(1+Г ^ ^ МС1 СвТ+Ь1 Свх
Свх Свх V У
24
1Св.Ых=1пСвы,-1пСвх-С< -^Свых-Сх) (Свых-Свх) (С'вых-С'вх);
ь
b
(14)
6
24
— ■ 1 S(x)dx=— ■ S(x)■ h u J ”
Ko
v
(15)
0
из левой части уравнения (15) берем первых два члена, тогда имеем
In
С
С
1 Ko■ S(x) ■ h u
(16)
Следовательно
Ko
Свых = Свх ■ exF-S(x)h
u
(17)
http://ej .kubagro.ru/2015/09/pdf/03 .pdf
Научный журнал КубГАУ, №113(09), 2015 года
11
Необходимую производительность озонатора определяют из соотношения
F=NV- СВх ,
(18)
3
где Nn - производительность вентиляционной установки, м/ч; Свых -
концентрация озона на выходе в слое семян, мг/м .
Соответственно, концентрация озоновоздушной смеси на входе в емкость с обрабатываемым зерном определится как
С„.„
С
exp -—S(x)h
L u J
(19)
Выразим площадь потока
тогда
С =
S (х ) = L°-и
Св
(20)
exp - K 0 Lh 1
L v J
(21)
скорость озоновоздушного потока
и =
12 Rd ip
(22)
где X- коэффициент сопротивления трения; р- плотность перемещаемой озоновоздушной смеси кг/м ; d-диаметр отверстия м.; R - сопротивление слоя зерна определяемое морфологическими свойствами семян Па. Соответственно
С. =
С вых С вЫ1Х
exp K 0 L 0 hip _ 2 Rd _ exp K 0 L 0 hip 1
4 IS(x) R
V p
(23)
согласно уравнению для сопротивления слоя зерна
http://ej .kubagro.ru/2015/09/pdf/03 .pdf
Научный журнал КубГАУ, №113(09), 2015 года
12
С =
С
С
exp
К оLрЛр 19,62 Avnd
exp
К оLрЛр _J_ Is(x) ,4v
39,24.
ж
(24)
где А и n - коэффициенты зависящие от морфологических свойств зерна. Производительность генератора озона составит
СС
Ф = N,
exp К 0 L 0 hip А 1 n
_ 2 Rd _ exp К 0 L 0 hip 1
. Is(x) R
V ж
(25)
С учетом снижения производительности электроозонирующего устройства при увеличении температуры и влажности воздуха поступающего в генератор
Ф
* tj
N.
С
exp
К 0 L 0 hip 2 Rd
k
tj
Jy
N
с
exp К 0 L 0 hip 1
. IS(x) R
_ V ж _
(26)
где kjt -эмпирический коэффициент, учитывающий снижение
производительности от влажности и температуры воздуха
kj = ( 1 - 0,0077 t - 0,008 j ), (27)
где t- температура воздушного потока 0С; ф- влажность воздуха %.
Зная значение константы скорости поглощения озона можно определить соотношение между толщиной слоя зерна и необходимой скоростью озоновоздушного потока, которая должна обеспечивать допустимое значение концентрации озона на выходе потока.
Список литературных источников.
n
http://ej .kubagro.ru/2015/09/pdf/03 .pdf
Научный журнал КубГАУ, №113(09), 2015 года
13
1. Нормов Д. А. Методика оценки и выбора безопасных систем микроклимата животноводческих помещений/ Д.А. Нормов, И.И. Тесленко, С.Н. Хабаху - Научнотехнический и информационно-аналитический журнал «Чрезвычайные ситуации» Краснодар: КСЭИ, №1-2 (13-14) 2013. - С.77-79
2. Патент 2198134 Российская Федерация, МПК С1 А 01 С 1/00 Установка для предпосевной обработки семян / Д.А. Нормов, В.К. Андрейчук, С.В. Вербицкая, Д.А. Овсянников, В.В. Лисицин, А.А. Шевченко, Т.А. Нормова; заявитель и патентообладатель КГАУ. - № 2001129273 заявл. 30.10.2001; опубл. 30.10.2001. Бюл. № 26. - 6 с.
3. Патент 2299543 Российская Федерация, МПК С1 А 01 С 1/00 Способ обработки семян сельскохозяйственных культур, устройство для его реализации / Д.А. Нормов, А.В. Педан, С.В. Оськин; заявитель и патентообладатель КГАУ. - № 2005124671/12 заявл. 10.02.2007; опубл. 27.05.2007. Бюл. № 15. - 7 с.
4. Нормов Д.А. Озон против микотоксинов фуражного зерна/ Д.А. Нормов, А.А. Шевченко, Е.А. Федоренко - Сельский механизатор. - 2009.- №4. - С. 24-25
5. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук/ КубГАУ, Краснодар, 2009 Нормов Д.А.
6. Нормов Д.А. Баланс озона при детоксикации фуражного зерна/ Д.А. Нормов, Д.В. Пожидаев - Научный журнал КубГАУ, №94(10), 2013 г.
7. Normov D.A. Air ozonation in cattle breeding /Normov D.A., Shevchenko A.A., Chesnyuk E.E., Pozhidaev D.V. Fundamental and applied sciences today IV (Vol. 3). North Charleston, USA. 20-21 Octo-ber 2014. -C: 146-151
References
1. Normov D.A. Metodika ocenki i vybora bezopasnyh sistem mikroklimata zhivotnovodcheskih pomeshhenij/ D.A. Normov, I.I. Teslenko, S.N. Habahu - Nauchno-tehnicheskij i informacionno-analiticheskij zhurnal «Chrezvychajnye situacii» Krasnodar: KSJel, №1-2 (13-14) 2013. - S.77-79
2. Patent 2198134 Rossijskaja Federacija, MPK S1 A 01 S 1/00 Ustanovka dlja predposevnoj obrabotki semjan / D.A. Normov, V.K. Andrejchuk, S.V. Verbickaja, D.A. Ovsjannikov, V.V. Lisicin, A.A. Shevchenko, T.A. Normova; zajavitel' i patentoobladatel' KGAU. - № 2001129273 zajavl. 30.10.2001; opubl. 30.10.2001. Bjul. № 26. - 6 s.
3. Patent 2299543 Rossijskaja Federacija, MPK S1 A 01 S 1/00 Sposob obrabotki semjan sel'skohozjajstvennyh kul'tur, ustrojstvo dlja ego realizacii / D.A. Normov, A.V. Pedan, S.V. Os'kin; zajavitel' i patentoobladatel' KGAU. - № 2005124671/12 zajavl. 10.02.2007; opubl. 27.05.2007. Bjul. № 15. - 7 s.
4. Normov D.A. Ozon protiv mikotoksinov furazhnogo zerna/ D.A. Normov, A.A. Shevchenko, E.A. Fedorenko - Sel'skij mehanizator. - 2009.- №4. - S. 24-25
5. Avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoj stepeni doktora tehnicheskih nauk/ KubGAU, Krasnodar, 2009 Normov D.A.
6. Normov D.A. Balans ozona pri detoksikacii furazhnogo zerna/ D.A. Normov, D.V. Pozhidaev - Nauchnyj zhurnal KubGAU, №94(10), 2013 g.
7. Normov D.A. Air ozonation in cattle breeding /Normov D.A., Shevchenko A.A., Chesnyuk E.E., Pozhidaev D.V. Fundamental and applied sciences today IV (Vol. 3). North Charleston, USA. 20-21 October 2014. -C: 146-151
http://ej .kubagro.ru/2015/09/pdf/03 .pdf
