ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРГОВЫХ СОТОВ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»



УДК 631.369.258/638.178

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРГОВЫХ СОТОВ

БЫШОВ Дмитрий Николаевич, канд. техн. наук, доцент каф. эксплуатации машинно-тракторного парка, university@rgatu.ru

КАШИРИН Дмитрий Евгеньевич, д-р техн. наук, доцент, зав. кафедрой электроснабжения, kadm76@mail.ru

МОРОЗОВ Сергей Сергеевич, соискатель, mars37603@mail.ru

Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева

В данной статье представлены результаты исследования оптических характеристик перговых сотов с применением ИК-спектроскопии. Данные исследования необходимо учитывать при использовании инфракрасной сушки, отличительной особенностью которой является то, что интенсивность нагрева зависит только от оптических характеристик продукта. В статье рассмотрена конструкция и принцип работы ИК-Фурье спектрометра, основной частью которого является интерферометр Майкельсона. Исследование оптических характеристик перговых сотов во всех диапазонах инфракрасного излучения производили в ИК-Фурье спектрометре PerkinElmer Frontier. Для проведения исследования из заранее осушенных от меда сотов формировали по два образца размером 50*50 мм, заполненных пергой, после чего один из образцов подвергали конвективной сушке на протяжении 50 часов. Методика проведения исследования и общий вид установки во время проведения исследования оптических характеристик перговых сотов описаны в статье. По результатам исследования были построены спектральные характеристики перговых сотов. Полученные результаты эксперимента показывают, что перговые соты являются хорошим поглотителем ИК энергии. Из полученных данных видно, что с увеличением длин волн значение коэффициента отражения увеличивается. Степень черноты перговых сотов практически не зависит от влажности и происхождения, а ее среднее значение составляет 0,885-0,886. В свою очередь, значение нормального коэффициента отражения незначительно уменьшается с 0,0581 до 0,0575. Анализ спектральных характеристик перговых сотов показывает явно выраженные минимумы отражения ИК-излучения, которые могут быть использованы для выбора оптимальной температуры нагревателей в процессе сушки.

Ключевые слова: пчелиные соты, перга, ИК-излучение, вакуумная сушка, оптические характеристики.

Введение должительность процесса (около 40-45 часов).

Во всем мире наиболее важной ролью пчело- Наиболее перспективной технологией сушки водства является опыление сельскохозяйствен- в настоящее время является вакуумная инфра-ных культур с целью улучшения качества плодов красная сушка, поскольку именно она наилучшим и семян и повышения их урожайности [1, 2]. По- образом подготавливает перговые соты к пред-мимо этого основным источником заработка пче- стоящему измельчению [11-15]. Преимуществом ловодческих хозяйств является реализация меда. данного способа является высокая интенсивность Для увеличения рентабельности необходима раз- процесса сушки за счет снижения температуры ки-работка технологий, позволяющих получать до- пения воды. В связи с небольшой продолжитель-полнительные продукты пчеловодства. Одной из ностью процесса сушки (около двух часов), энер-таких технологий является получение перги [3, 4, гоемкость вакуумных инфракрасных установок 5]. Насыщенная биологически-активными компо- значительно ниже, чем у их аналогов. Однако при-нентами, перга является уникальным природным менение инфракрасной сушки имеет ряд отличий лекарственным препаратом, применяемым для от классических методов нагрева. Наиболее зна-лечения и профилактики целого ряда заболева- чимым отличием является то, что интенсивность ний. В настоящее время наблюдается дефицит за- нагрева зависит только от оптических характери-готовки перги. Это связанно с отсутствием высоко- стик продукта [1].

производительных способов механизированного Поток энергии, передаваемый излучением, па-извлечения перги и постоянно растущим спросом дая на поверхность облучаемого тела частично в связи с ростом осведомленности о преимуще- проходит сквозь тело, частично им отражается и ствах данного продукта [1]. частично поглощается. К основным оптическим

Одним их наиболее энергозатратных этапов характеристикам, определяющим данные законо-технологии получения перги является ее сушка. мерности, относятся коэффициент отражения R, Совершенствованием технологии сушки перги коэффициент поглощения A и коэффициент прозанимались многие ученые [6, 7]. В связи с про- пускания T. Для любого тела сумма всех коэффи-стотой изготовления сушильных установок наи- циентов равна единице. Коэффициент отражения большее распространение в настоящее время характеризует отражающие свойства облучаемого получила конвективная сушка перги горячим воз- продукта. Коэффициент поглощения, как и степень духом [8, 9, 10]. Однако данный способ обладает черноты, характеризует способность продукта по-рядом недостатков: высокая энергоемкость и про- глощать излучение. Коэффициент пропускания

© Бышов Д. Н., Каширин Д. Е., Морозов С. С., 2019 г.

показывает количество излучения, прошедшего через продукт. В общем случае значение данных коэффициентов зависит как от свойств продукта, так и от угла падения и спектрального состава излучения. В природе нет абсолютно черных, абсолютно белых и абсолютно прозрачных тел. Все тела являются серыми. Степень приближения серого тела к абсолютно черному оценивается величиной, называемой степенью черноты тела, обозначаемой е, которая, согласно закону Кирхгофа, по численной величине равна коэффициенту поглощения этого тела.

В настоящее время исследованием оптических характеристик перговых сотов с целью выявления химического состава (количества сахаров, витаминов и других веществ) занимались А. Wroblewska, Z. Warakomska, М. Катька, N. Hudz, О. ВоЫ§ и др. В качестве основного метода исследования оптических характеристик перговых сотов данными авторами был выбран спектрофото-метрический анализ содержимого пергового сота, растворенного в воде.

Однако данные исследования оптических характеристик перговых сотов не применимы для инфракрасной сушки, так как они рассматривают лишь ближний диапазон инфракрасного излучения.

Цель исследования

В связи с вышесказанным целью исследования

является определение оптических характеристик перговых сотов с применением ИК- спектроскопии.

Материалы и методы исследования

Исследование оптических характеристик перговых сотов во всех диапазонах инфракрасного излучения производили в ИК-Фурье спектрометре PerkinElmer Frontier.

Основной частью ИК-Фурье спектрометра (рис. 1) является интерферометр Майкельсона, состоящий из источника ИК излучения 1, неподвижного 2 и подвижного 3 зеркал, светоделителя 4 и фотоприемника 5. Полученные фотоприемником 5 сигналы проходят через усилитель 6, обрабатываются аналого-цифровым преобразователем 7, после чего пересылаются в ЭВМ. Полученные данные преобразуются методом быстрого преобразования Фурье и выводятся на экран.

Интерферометр Майкельсона работает следующим образом. Световой пучок от источника излучения 1, проходя через светоделитель 4, разделяется на две части, одна из которых проходит через него, а другая отражается. Отразившись от подвижного 3 и неподвижного 2 зеркал, световой пучок возвращается на светоделитель 4, где прошедшая часть меняет свое направление. Пройдя сквозь образец, световой пучок с поглощенными и отраженными частотами регистрируется фотоприемником 5.

1 - источника ИК излучения, 2 - неподвижное зеркало, 3 - подвижное зеркало, 4 - светоделитель, 5 - фотоприемник, 6 - усилитель, 7 - аналого-цифровой преобразователь, 8 - ЭВМ Рис. 1 - Структурная схема ИК- Фурье спектрометра

По результатам обработки регистрируемых частот ЭВМ формирует таблицу со спектральными коэффициентами отражения Р.

Спектральные коэффициенты отражения Р могут быть преобразованы в единицы 1од(1Н). Данные единицы показывают относительное количество инфракрасной энергии, поглощенной при измерении в режиме отражения. Таким образом, они эквивалентны оптической плотности (поглощению) А и вычисляются по формуле:

Rn (Л: ), измеренным на 30 длинах волн по формуле:

30

. > Р пл

(2)

Rr

-У

зо Zj

Rn (А).

¿=1

(1)

Расчет нормального коэффициента отражения при стандартной температуре 283 К производили по спектральным коэффициентам отражения

Нормальный коэффициент эмиссии (нормальная степень черноты) en при 283 К определяли по формуле: _ 1 "

£ п — 1 — кп- (3)

Так как максимально используемая длина волны ИК-Фурье спектрометра PerkinElmer Frontier составляет 40мкм, то погрешность измерений компенсируется введением поправочного коэффициента для вычисления коэффициента эмиссии.

Для проведения исследования были выбраны

перговые соты из разных регионов Рязанской области. Из заранее осушенных от меда сотов заготавливали по два образца, заполненных пергой, размером 50x50 мм, после чего один из образцов подвергали конвективной сушке на протяжении 50 часов.

Подготовленный образец 1 помешали в кювету 2 ИК-Фурье спектрометра 3, закрывали крышку прибора и запускали измерения.

Общий вид установки для определения оптических свойств перговых сотов показан на рисунке 2.

1 - образец; 2 - кювета; 3 - ИК-Фурье спектрометр Рис. 2 - Общий вид установки для определения оптических свойств перговых сотов

По окончании исследования исследуемые образцы взвешивали и определяли влажность в соответствии с методом, соответствующим требованиям ГОСТ 31776-2012, а сформированную ЭВМ таблицу со спектральными коэффициентами отражения R экспортировали в таблицу MS Excel

для последующей обработки полученных данных.

Результаты и их анализ По результатам исследования оптических характеристик перговых сотов были построены спектральные характеристики, представленные на рисунках 3,4.

Рис. 3 - Спектральная характеристика перговых сотов нативной влажности

Рис. 4 - Спектральная характеристика высушенных перговых сотов

Статистические показатели, полученные в ходе обработки полученных данных, приведены в таблице.

Таблица - Оптические характеристики перговых сотов

Образец Перговый сот на-тивная влажность Перговый сот сущенная перга

Влажность, % повторности Л1 23,7 13,1

\л/2 22,1 14,6

л3 23,5 13,5

W ср 23,1 13,7

Нормальный коэффициент отражения р повторности РП1 0,0693 0,0554

РП2 0,05 0,0618

РП3 0,055 0,0554

пср 0,0581 0,0575

Коэффициент эмиссии е повторности £1 0,875 0,888

£2 0,893 0,882

£3 0,888 0,888

е ср 0,885 0,886

Из полученных данных видно, что с увеличением длин волн значение коэффициента отражения увеличивается. Анализ спектральных характеристик перговых сотов показывает явно выраженные минимумы отражения ИК-излучения, которые могут быть использованы для выбора оптимальной температуры нагревателей в процессе сушки.

На основании обработки полученных данных можно сделать вывод, что степень черноты перговых сотов практически не зависит от влажности и происхождения, а ее среднее значение составляет 0,885-0,886. Это означает, что перговые соты являются хорошим поглотителем ИК энергии. В свою очередь, значение нормального коэффициента отражения незначительно уменьшается с 0,0581 до 0,0575.

Выводы

Проведено исследование оптических характеристик перговых сотов во всех диапазонах инфракрасного излучения. По результатам исследования были построены спектральные характеристики. Анализ спектральных характеристик перговых сотов показывает явно выраженные минимумы отражения ИК-излучения, которые могут быть использованы для выбора оптимальной температуры нагревателей в процессе сушки. Из полученных данных также видно, что с увеличением длин волн значение коэффициента отражения увеличивается.

На основании полученных результатов исследований можно сделать вывод, что перговые соты являются хорошим поглотителем ИК энергии. Степень черноты перговых сотов практически не зависит от влажности и происхождения, а ее среднее значение составляет 0,885-0,886. В свою очередь, значение нормального коэффициента отражения незначительно уменьшается с 0,0581 до 0,0575 при уменьшении влажности продукта.

Список литературы

1. Каширин, Д. Е. Энергосберегающие технологии извлечения перги из сотов специализированными средствами механизации / Д. Е. Каширин : автореф. дис... д-ра техн. наук : 05.20.01 / У ВПО "МГУ им. Н.П. Огарева". - Рязань, 2013.-37 с.

2. Харитонова, М. Н. Качество перги, стабилизированной разными способами, в процессе ее хранения / М. Н. Харитонова, Д. Е. Каширин // Инновационные технологии в пчеловодстве : материалы научно-практической конференции. - 2006. - С. 195-197.

3. Пат. № 2326531 РФ. Способ извлечения перги из сотов / Д. Е. Каширин, А. В. Ларин, М. Е. Троицкая. - Заявл. 19.12.2006; опубл. 20.06.2008, бюл. № 17. - 4 с.

4. Пат. № 2360407 РФ. МПК А01К 59/00. Способ извлечения перги из сотов / Д. Е. Каширин. - Заявл. 02.04.2008; опубл. 10.07.2009, бюл. № 19. -5с.

5.Каширин, Д. Е. Способ и устройство для извлечения перги / Д. Е. Каширин // Аграрный научный журнал. - 2010. - № 5. - С. 34-36.

6. Пат. № 2391610 РФ. Установка для сушки перги / Д. Е. Каширин. - Заявл. 16.03.2009; опубл. 10.06.2010, бюл. № 16. - 7с.

7. Пат. № 2275563 РФ. F26B 21/04. Установка для сушки перги в сотах / Д.Е. Каширин. - Заявл. 29.11.2004; опубл. 27.04.2006, бюл. № 12. - 5 с.

8. Каширин, Д. Е. Обоснование параметров установки для извлечения перги из сотов / Д. Е. Каширин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2009. - № 11. - С. 26-27.

9. Каширин, Д. Е. Исследование рабочего процесса измельчителя перговых сотов / Д. Е. Каширин // Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный агроинженерный университет им. В.П.

Горячкина. - 2010. - № 1. - С. 24-27.

10. Пат. № 2367150 РФ. Установка для извлечения перги из перговых сотов / Д. Е. Каширин. -Заявл. 19.05.2008; опубл. 20.09.2009, бюл. № 26. - 7с.

11. Бышов, Н. В. Обоснование рациональных параметров измельчителя перговых сотов / Н. В. Бышов, Д. Е. Каширин // Вестник Красноярского государственного университета. - 2012. - №6. - С. 134-138.

12. Бышов, Н. В. Обоснование параметров измельчителя перговых сотов / Н. В. Бышов, Д. Е. Каширин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2012. - № 1. - С. 29-30.

13. Исследование работы измельчителя воско-

вого сырья / Д. Н. Бышов, И. А. Успенский, Д. Е. Каширин, Н. В. Ермаченков, В. В. Павлов // Сельский механизатор. - 2015. - № 8. - С. 28-29.

14. Каширин, Д. Е. Усовершенствование технологического процесса отделения перги от восковых частиц / Д. Е. Каширин // Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный агроинженер-ный университет им. В.П. Горячкина. - 2009. - № 4. - С. 24-26.

15. Каширин, Д. Е. К вопросу отделения перги из измельчённой воскоперговой массы / Д. Е. Ка-ширин // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. - 2010. - № 1. - С. 138-140.

EXPERIMENTAL RESEARCH OF OPTICAL CHARACTERISTICS OF THE HONEYCOMBS

Byshov Dmitriy N., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, university@rgatu.ru

Kashirin Dmitriy Ye., Doctor technical sciences, Associate Professor, kadm76@mail.ru

Morozov Sergei S., applicant, mars37603@mail.ru

Ryazan State Agrotechnological University Named after P.A. Kostychev

This article presents the results of the study of the optical characteristics of honeycombs using infrared spectroscopy. These researches should be considered when using infrared drying, a distinctive feature of which is that the heating intensity depends only on the optical characteristics of the product. The article describes the design and principle of operation of the FTIR spectrometer. The research of the optical characteristics of honeycombs in all ranges of infrared radiation was carried out in a PerkinElmer Frontier FTIR spectrometer, the main part of which is the Michelson interferometer.. For the research, combs of 50 * 50 mm size filled with bee bread were formed from honeycombs that had been drained from honey beforehand, after which one of the samples was subjected to convective drying for 50 hours. The technique of the research and the general view of the installation during the research of the optical characteristics of the honeycombs are described in the article. According to the results of the study, spectral characteristics of honeycombs were constructed. The results of the research show that the honeycombs are a good absorber of IR energy. From the data obtained it can be seen that with increasing wavelengths the value of the reflection coefficient increases. Emissivity of honeycombs is almost independent of humidity and origin, and its average value is 0.885-0.886. In turn, the value of the normal reflection coefficient decreases slightly from 0.0581 to 0.0575. The analysis of the spectral characteristics of the honeycombs shows pronounced minima of the reflection of infrared radiation, which can be used to select the optimum temperature of the heaters during the drying process.

Key words: honeycomb, bee bread, infrared radiation, vacuum drying, optical characteristics.

Literatura

1. Kashirin D.E. Energosberegayushchie tekhnologii izvlecheniya pergi iz sotov specializirovannymi sredstvami mekhanizacii /D.E. Kashirin // avtoreferat dis. doktora tekhnicheskih nauk : 05.20.01 / U VPO "MGU im. N.P. Ogareva". Ryazan'. - 2013.

2. Haritonova M.N. Kachestvo pergi, stabilizirovannoj raznymi sposobami, v processe ee hraneniya / M.N. Haritonova, D.E. Kashirin //V sbornike: Innovacionnye tekhnologii v pchelovodstve Materialy nauchno-prakticheskoj konferencii. Ministerstvo sel'skogo hozyajstva Rossijskoj Federacii; Federal'noe gosudarstvennoe obrazovatel'noe uchrezhdenie dopolnitel'nogo professional'nogo obrazovaniya specialistov "Akademiya pchelovodstva". - 2006. - S. 195-197.

3. Pat. № 2326531 RF. Sposob izvlecheniya pergi iz sotov/D.E. Kashirin, A.V. Larin, M.E. Troickaya. -Zayavl. 19.12.2006; opubl. 20.06.2008, byul. № 17. - 4s.

4. Pat. № 2360407 RF. MPK A01K 59/00. Sposob izvlecheniya pergi iz sotov /D.E. Kashirin. - Zayavl. 02.04.2008; opubl. 10.07.2009, byul. № 19. -5s.

5.Kashirin D.E. Sposob i ustrojstvo dlya izvlecheniya pergi /D.E. Kashirin //Agrarnyj nauchnyj zhurnal. -2010. - № 5. - S. 34-36.

6. Pat. № 2391610 RF. Ustanovka dlya sushki pergi / D.E. Kashirin. - Zayavl. 16.03.2009; opubl. 10.06.2010, byul. № 16. - 7s.

7. Pat. № 2275563 RF. F26B 21/04. Ustanovka dlya sushki pergi v sotah / D.E. Kashirin. - Zayavl. 29.11.2004; opubl. 27.04.2006, byul. № 12. - 5s.

8. Kashirin D.E. Obosnovanie parametrov ustanovki dlya izvlecheniya pergi iz sotov / D.E. Kashirin // Mekhanizaciya i elektrifikaciya sel'skogo hozyajstva. - 2009. - № 11. - S. 26-27.

9. Kashirin D.E. Issledovanie rabochego processa izmel'chitelya pergovyh sotov/D.E. Kashirin // Vestnik Federal'nogo gosudarstvennogo obrazovatel'nogo uchrezhdeniya vysshego professional'nogo obrazovaniya Moskovskij gosudarstvennyj agroinzhenernyj universitet im. V.P. Goryachkina. - 2010. - № 1. - S. 24-27.

10. Pat. № 2367150 RF. Ustanovka dlya izvlecheniya pergi iz pergovyh sotov / D.E. Kashirin. - Zayavl.

19.05.2008; opubl. 20.09.2009, byul. № 26. - 7s.

11. Byshov N.V. Obosnovanie racional'nyh parametrov izmel'chitelya pergovyh sotov / N.V. Byshov, D.E. Kashirin //Vestnik Krasnoyarskogo gosudarstvennogo universiteta. - 2012. №6. - S. 134-138.

12. Byshov N.V. Obosnovanie parametrov izmel'chitelya pergovyh sotov / N.V. Byshov, D.E. Kashirin // Mekhanizaciya i elektrifikaciya sel'skogo hozyajstva. - 2012. - № 1. - S. 29-30.

13. Byshov D.N. Issledovanie raboty izmel'chitelya voskovogo syr'ya / D.N. Byshov, I.A. Uspenskij, D.E. Kashirin, N.V. Ermachenkov, V.V. Pavlov//Sel'skijmekhanizator. - 2015. - № 8. - S. 28-29.

14. Kashirin D.E. Usovershenstvovanie tekhnologicheskogo processa otdeleniya pergi ot voskovyh chastic / D.E. Kashirin //Vestnik Federal'nogo gosudarstvennogo obrazovatel'nogo uchrezhdeniya vysshego professional'nogo obrazovaniya Moskovskijgosudarstvennyj agroinzhenernyj universitet im. V.P. Goryachkina. - 2009. - № 4. - S. 24-26.

15. Kashirin D.E. K voprosu otdeleniya pergi iz izmel'chyonnoj voskopergovoj massy /D.E. Kashirin // Vestnik Krasnoyarskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2010. - № 1. - S. 138-140.

УДК 631. 55 : 513.71

ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ЕДИНСТВО ПОСЕВНЫХ И УБОРОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ

В ЗЕРНОВОМ ПОДКОМПЛЕКСЕ

БЫШОВ Николай Владимирович, д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры эксплуатации машинно-тракторного парка, byshov@rgatu.ru

МАКАРОВ Валентин Алексеевич, д-р техн. наук, профессор, va_makarov@rambler. ги Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева МАКАРОВА Ольга Владимировна, д-р экон. наук, профессор, Академия права и управления ФСИН, т^+2302@Ьк.т

ГАСПАРЯН Светлана Валентиновна, канд. экон. наук, доцент, Академия права и управления ФСИН, gasparyan.svetlana@yandex.ru

ШЕМЯКИН Александр Владимирович, д-р техн. наук, профессор, shem.alex62@yandex.ru Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева

Работа выполнена в рамках инициативной НИР.

В статье используется системный подход при рассмотрении проведения полевых работ посадочными и уборочными комплексами. Установлено, что для полноценного использования возможностей посадочных и уборочных комплексов при минимальных затратах механизированные работы необходимо проводить при максимальных значениях коэффициентов использования сменного времени. В табличной форме представлены значения коэффициентов использования сменного времени для условий Нечернозёмной зоны России. Выбор стратегии проведения работ определяют скорость созревания, погодные условия, наличие технических средств. Предлагаются численные составы посадочных и уборочных комплексов в расчёте на 1 га, которые представляются в табличной форме при агрегатировании с тракторами класса 1,4;2;3. Оценка эффективности функционирования комплексов должна строиться с учетом деятельности всех подсистем по выполнению плана работ. Такой оценкой ежедневной работы комплекса может служить коэффициент напряженности работ, равный отношению сумм фактически выполненных работ к запланированным,. В выводах установлены пути совершенствования механизированных процессов на посеве и уборке зерновых культур, а в качестве оптимального варианта выбран вариант максимального использования времени смены за счет внедрения новых организационно-технических форм. В итоге разработана математическая модель функционирования посевных и уборочных комплексов при производстве зерновых культур для Нечернозёмной зоны России, которая может быть использована и для других регионов.

Ключевые слова: зерновой подкомплекс, посевные и уборочные комплексы, стратегия работ, математическая модель.

Введение

Соблюдение агротехнических сроков проведения работ при должном их качестве - основное условие минимизации потерь урожая. Продолжительность уборочных работ - Туб в основном определяется периодом созревания зерновых - Т В

свою очередь Тсозр зависит от продолжительности сева - Тс, почвенно-климатических и метеорологических условий. Следовательно, структуры и численные составы посевных (ПК) и убороч-но-транспортных комплексов (УТК) должны быть тесно связаны между собой. Поэтому необходим

© Бышов Н. В., Макаров В. А., Макарова О. В., Гаспарян С. В. Шемякин А. В., 2019 г