CC BY
129
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
УДК 66.047.3.085.1: 633.85
Н.А Зуев
С.П. Рудобашта, доктор техн. наук
Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина Е.Ю. Зотова, канд. с.-х. наук
Ивановская государственная агроинженерная академия Г.А. Зуева, доктор ф.-м. наук
Ивановский государственный химико-технологический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ПРОРАСТАНИЯ И ВСХОЖЕСТИ СЕМЯН ГОРЧИЦЫ ПРИ СУШКЕ ИМПУЛЬСНЫМ ИК-СПОСОБОМ
Одной из важных составных частей технологии послеуборочной обработки семян является их сушка, от условий проведения которой в большой степени зависит качество посевного материала. Применение импульсного инфракрасного способа сушки семян позволяет не только качественно и быстро высушить семена растений до кондиционной влажности, требуемой технологическим регламентом, но и стимулировать всхожесть семян [1]. Для получения семян высокого качества с хорошей всхожестью необходим правильной выбор организации и температурного режима процесса импульсной (осциллирующей) ИК-сушки, при котором чередуются циклы нагрева и охлаждения и производится стимулирующее действие на семена.
При определении этих режимов необходимо учитывать свойства семенного материала как объекта сушки и стимуляции (в данном случае являются семена горчицы белой, сорт ВНИИМК-162).
Горчица белая имеет широкий спектр применения. Семена ее идут для получения масла. Растение используется на корм скоту и как зеленое удобрение. Горчица белая относится к лучшим медоносным культурам и имеет большое агротехническое значение. Это растение длинного дня, влаголюбивое и холодоустойчивое, имеющее шаровидные семена (4...7 в стручке) диаметром 1,5...2 мм, желтой или кремовой окраски, с гладкой поверхностью. Масса 1000 семян составляет 4.6 г, содержание масла в семенах — 30.40 %, масло высокого пищевого достоинства, полувысыхающее (йодное число 92.122), золотисто-желтого цвета, хорошо сохраняется. Используется непосредственно в пищу, а также для производства маргарина, в хлебопекарной и кондитерской промышленности.
Из литературных источников известно, что среди физических способов стимуляции семян электрообработка отличается тем, что она влияет на характер метаболизма семян, способствует луч------------------------------------------- 7
шему использованию запасных питательных веществ, дезинфекции семян, является экологически чистым способом стимуляции. Отмечено, что наибольший эффект стимуляции наблюдается при облучении влажных семян. При наблюдении за проростками сухих и увлажненных семян после воздействия на них лазерного излучения обнаружено повышение выхода хромосомных мутаций у последних [2]. Установлено, что у всех семян существует единый механизм приема энергии и ее приемником являются молекулы воды, изменяющие свою структуру под действием даже слабых электромагнитных излучений. В опытах с различными семенами было замечено, что после замачивания у них появляется повышенная потребность в освещении [3]. После полученного дополнительного освещения эти семена быстро прорастали и были в некоторых вариантах опытов сильнее и выше контрольных. Это происходит в результате изменения физиологического состояния семян, а также их оптических свойств. Увеличивается количество поглощаемой семенами энергии за счет усиления проницаемости семян и увеличения коэффициента поглощения ими излучения.
В процессе ИК-облучения продуктов растительного и животного происхождения происходит резонансное воздействие поглощаемой энергии на молекулы воды при совпадении их частот, что вызывает интенсификацию процессов биохимических превращений и как следствие увеличение скорости обработки продуктов, способствующей получению высококачественного продукта. Применение ИК-облучения позволяет в несколько раз увеличить плотность теплового потока на поверхности материала по сравнению с конвективной сушкой, что позволяет добиться больших скоростей нагрева высушиваемого материала [4].
Задачей данного исследования было выяснить, как влияют на всхожесть и энергию прорастания семян (на примере семян горчицы белой) длительность их предварительного замачивания и продолжительность импульсной ИК-сушки в процессе их предпосевной обработки. Семена увлажняли в течение 3 или 24 ч либо не увлажняли совсем, продолжительность инфракрасной сушки составляла 40, 60, 80, 90 мин.
Для проведения эксперимента семена отбирали в соответствии с сортовыми и посевными качествами по ГОСТ Р 52325—2005 «Семена сельскохозяйственных растений. Сортовые и посевные качества. Общие технические условия». Данный стандарт распространяется на семена сельскохозяйственных культур, предназначенных для посева, и устанавливает их сортовые и посевные качества. Он устанавливает определенный уровень влажности семян, необходимый для их хранения и обеспечивающий их нормальную всхожесть. Требования
8
к посевным качествам семян масленичной культуры — горчицы белой: категория (ОС, ЭС), чистота семян не менее 99 %, всхожесть 90 %, влажность 12 %. Здесь использованы условные обозначения: ОС — оригинальные семена; ЭС — элитные семена.
Сушку семян горчицы белой осуществляли осциллирующим ИК-способом при следующем, рекомендованном в [1] температурном режиме: максимальная температура нагрева семян в цикле tmax = 40 °C, минимальная температура нагрева семян в нем tmin = 34 °C (средняя температура семян при сушке 37 °C). Этот температурный режим поддерживался с помощью системы автоматического регулирования, которой была оснащена установка. Температура семян в опытах отслеживалась с помощью бесконтактного пирометра Raytek MID LT 02, сигналы с которого передавались на блок управления процессом нагрева семян, который периодически включал и отключал питание излучателей. В качестве последних использовали лампы OSRAM Siccatherm, так как ранее было показано, что наибольший стимулирующий эффект семян при их ИК-сушке из числа исследованных в данной работе излучателей (лампы OSRAM Siccatherm, трубчатые лампы накаливания КГТ-220-600, керамические излучатели ELCER ECS1) наблюдался при применении именно ламп OSRAM, имеющих максимум излучения на длине волны ~1,1 мкм [1]; по импульсной ИК-сушке создавалась оптимальная в отношении увеличения всхожести семян плотность теплового потока 1890 Вт/м2.
На рис. 1 в качестве примера приведена одна из кривых ИК-сушки, полученная при предварительном замачивании семян в течение 3 ч и времени сушки т = 60 мин (остальные кривые сушки имеют аналогичный характер). Как видно из рисунка, в данном опыте начальное влагосодержание семян ин, кг влаги/кг сухого материала, после их увлажнения составляло 51,6 %, а конечное (по окончании
u, %
т/60, с
Рис. 1. Кривая осциллирующей ИК-сушки семян горчицы белой (лампа 08КЛМ, д = 1890 Вт/м2):
1 — эксперимент; 2 — графическая аппроксимация опытных точек; 3 — аппроксимирующая линия, сглаживающая ошибки измерений
процесса сушки) — 21,0 %. Сушка семян протекала во втором периоде. Полученные кривые сушки были продифференцированы с целью получения кривых скорости сушки для дальнейшего анализа кинетики процесса.
На рис. 2 приведена зависимость скорости сушки -йи/йт, 1/с, от влагосодержания материала и, полученная дифференцированием кривой сушки, приведенной на рис. 1. Зависимость -йи/йт = /(и) имеет монотонно выпуклый характер, присущий ряду высушиваемых материалов. Из нее видно, что в конце сушки влагосодержание материала не достигает равновесного значения, которое для условий опыта 12 %.
Всхожесть — один из основных показателей, характеризующих посевные качества семян и нормируемых государственным стандартом. Под ней понимают способность семян образовывать нормальные проростки. Всхожесть семян, определяемая в лабораторных условиях в соответствии с требованиями нормативно-технической документации, называется лабораторной всхожестью семян. Одновременно с лабораторной всхожестью определяют энергию прорастания семян, т. е. количество нормально проросших семян за определенный для каждой культуры короткий период времени. Последняя характеризует дружность и быстроту прорастания семян.
Опыты по определению этих показателей проводили в лаборатории кафедры растениеводства Ивановской государственной сельскохозяйственной академии с 4-кратной повторяемостью согласно ГОСТ 12038—84. Семена горчицы высеивали на фильтровальную бумагу и проращивали при 20 °С в чашках Петри трое суток для определения энергии прорастания и шесть суток для определения всхожести.
Результаты проведенных опытов по определению качества семян, высушенных ИК-способом, представлены в таблице.
Они показывают, что увеличение энергии прорастания и всхожести семян зависит от продолжительности предварительного замачивания семян
-йи/йт, 1/с
1
0,75
0,5
0,25
J___I___I__I___I__I___I__I___I__I
11 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60
и, %
Рис. 2. Кривая скорости сушки семян горчицы белой
и времени их сушки. Наибольший стимулирующий эффект (увеличение всхожести на 6,5 % и энергии прорастания на 15 % по сравнению с контролем) происходит при предварительном их замачивании в течение 3 ч и длительности импульсной ИК-суш-ки 60 мин. За контроль в опытах принимались всхожесть и энергия прорастания семян, высушенных в естественных условиях.
При расчете всхожести рассчитывалось среднее квадратичное отклонение по формуле
о =
_\2
Х(а -а)
I=1
п -1
где д; — повторяемость в опыте; а — всхожесть средняя арифметическая; п — число повторяемости; о — среднее квадратическое отклонение, которое отражено в таблице в 6-й колонке.
Как видно из таблицы, всхожесть семян горчицы белой у контрольного образца достаточно высокая, поэтому целесообразно использовать данный метод стимуляции для семян с плохой всхожестью (например, семена лука, петрушки). Это и предполагается выполнить в дальнейшем. Отмечено, что наиболее эффективна электрообработка жизнеспособных семян с пониженными посевными качествами [5].
Результаты импульсной ИК-стимуляции семян горчицы белой
Опыт Продолжительность замачивания, ч Влагосодержание после замачивания,% Продолжительность ИК-сушки т/60, с Энергия прорастания Э, % Всхожесть В, % Влагосодер-жание конечное, % Всхожесть, % от контроля
1 3 51,6 40 86 90 ± 4 26,1 97
2 3 51,6 60 98 99 ± 6 21,0 106
3 3 54,1 80 85 90 ± 5 17,2 97
4 24 142,2 80 87 95 ± 2 27,3 102
5 24 101,1 90 85 93 ± 4 22,1 100
6 0 (без замачивания) 7,1 60 84 90 ± 3 5,6 97
Контроль - 0 85 93 ± 4 - 100
Таким образом, осциллирующая ИК-сушка в определенных режимах (опыты 2, 4 см. в таблице) приводит к увеличению всхожести и энергии прорастания семян горчицы белой, т. е. к улучшению их кондиционных свойств, что имеет важное практическое значение.
Список литературы
1. Григорьев, И.В. Импульсная инфракрасная сушка семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.20.02 / И.В. Григорьев. — М.: ФГОУ ВПО МГАУ, 2010. — 16 с.
2. Володин, В.Г. Лазеры и наследственность растений / В.Г. Володин. — М.: Наука и техника, 1984. — 172 с.
3. Крокер, В. Физиология семян / В. Крокер, Л. Бартон. — М.: Иностранная литература, 1955. — 400 с.
4. Пенкин, А.А. Разработка устройства инфракрасного излучения для термической обработки зерна и локального обогрева: дис. ... канд. техн. наук: 05.18.12, 05.14.04 / А.А. Пенкин. — М.: ВИСХОМ, 2005. — 256 с.
5. Лудилов, В.А. Семеноведение овощных и бахчевых культур / В.А. Лудилов. — М.: ФГНУ «Росинформ-агротех». 2005. — 392 с.
УДК 621.313.12-027.236
С.А. Андреев, канд. техн. наук А.А. Слепых
Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Целесообразность автономного энергообеспечения отдельных объектов АПК определяется рядом технических, экономических и социальных причин. К техническим причинам можно отнести отсутствие необходимости сооружения трубопроводов или линий электропередач, а также свободный режим энергопотребления в рамках выработанного объема энергии. Экономические причины сводятся к значительному снижению соответствующих капитальных, а иногда и эксплуатационных затрат, а социальные обусловлены экологическими факторами и независимостью потребителей энергии от ее поставщиков.
Один из способов автономного энергообеспечения основан на использовании низкопотенциального тепла грунтовых вод с последующим его преобразованием в высокопотенциальную энергию теплоносителя с помощью теплового насоса. При этом особый интерес представляют термоэлектрические тепловые насосы (термопреобразователи), которые в отличие от компрессионных или адсорбционных машин не требуют затрат внешней энергии. Для обеспечения работоспособности таких преобразователей в зимнее время года осуществляется извлечение грунтовых вод на поверхность, нагрев соответствующих поверхностей термопар и отвод теплоты в окружающую среду. По существу принцип действия таких преобразователей основан на эффекте Зеебека. Полученная с помощью термопар электроэнергия направляется на питание электронагревателей, образующих вторичный контур теплового насоса. Здесь небольшое количество
10
теплоносителя можно нагреть практически до любой температуры.
К сожалению, кпд термоэлектрических преобразователей пока остается весьма невысоким. Кроме того, расчетный перепад температур составляет всего 20.30 °С, что еще более снижает эффективность преобразования. Учитывая поисти-не неограниченные запасы низкопотенциальной энергии, перспектива ее беззатратного преобразования продолжает волновать разработчиков тепловых насосов.
Главными особенностями энергетической эффективности термоэлектрического преобразователя, принимая во внимание специфические особенности его эксплуатации, являются крайне малый градиент температур, а также ограниченность преобразованной энергии по минимуму, поскольку часть ее придется затратить на извлечение (подъем) грунтовой воды.
Наибольший интерес с точки зрения эффективности преобразователя представляет собой кпд.
Известно, что явление Зеебека, открытое в 1821 году, состоит в том, что в цепи, состоящей из разнородных материалов, возникает электродвижущая сила (термоэдс), если места контактов поддерживаются при разных температурах. В простейшем случае, когда такая цепь состоит из двух ветвей различных материалов, образуется термоэлемент или термопара. Возникающая термоэдс Е пропорциональна разности температур на контактах и некоторому коэффициенту термоэдс а, зависящему от материалов, составляющих ветви термопар:
