CC BY
67
5. Kozhuhova, N. Ju. Naplavochnoe armirovanie rabochih organov pochvoobrabatyvajushhih mashin, jekspluatirujushhihsja na tjazhelyh pochvah [Tekst] : avtoref. dis. kand. tehn. nauk / N. Ju. Kozhuhova. - M., 2011.
6. Novikov, V. S. Obespechenie dolgovechnosti rabochih organov pochvoobrabatyvajushhih mashin [Tekst]: avtoref. dokt. tehn. nauk /V.S.Novikov. - M., 2008.
7. STB 1388-2003 Plugi traktornye lemeshnye obshhego naznachenija. Obshhie tehnich-eskie uslovija [Tekst]. - Minsk: Belorusskij gosudarstvennyj institut standartizacii i sertifikacii (BelGISS), 2003. - 12 p.
8. Hasui A. Naplavka i napylenie [Tekst]/ Per. s jap. V.N.Popova / A.Hasui, O. Morigaki // M.: Mashinostroenie, 1988. - 240 p.
9. Dallaire, S. Development of Cored Wires for Improving the Abrasion Wear Resistance of Austenitic Stainless Steel [Tekst]/ S. Dallaire and H. Levert // Journal of Thermal Spray Technology. -1997. - № 6(4). - P. 456-462.
10. Il'inskii, V.A. Mechanism of Microsegregation in Iron-Carbon Alloys and New Possibilities in Foundry Technology [Tekst]/ V.A. Il'insrii, A.A. Zhukov, L.V. Kostyleva// Cast Metals. -1990. - Vol.3. - №1.
E-mail: [email protected]
УДК 631.6.03:544.6.018.2
МОДЕЛИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИ АКТИВИРОВАННОЙ ВОДЫ И РАСТВОРОВ В СИСТЕМЕ КАПЕЛЬНОГО ОРОШЕНИЯ
ELECTROCHEMICAL ACTIVATED WATER AND SOLUTIONS CONDITIONS MODELING IN DRIP IRRIGATION SYSTEM
С.Я. Семененко, доктор сельскохозяйственных наук М.Н. Лытов, кандидат сельскохозяйственных наук А.Н. Чушкин, научный сотрудник
S.Y. Semenenko, M.N. Lytov, A.N. Chushkin
ФГБНУ Поволжский НИИ эколого-мелиоративных технологий, г. Волгоград
FSBI Volga Research Institute of Ecological and reclamation technologies, Volgograd
Исследования, основные результаты которых приводятся в настоящей работе, проводятся авторами в рамках решения актуальных задач проектирования систем капельного орошения с модулем электрохимической активации оросительной воды. Рабочей гипотезой исследований стало предположение о необходимости при проектировании систем капельного орошения с модулем электрохимической активации учета релаксации электрохимически активированной воды в процессе движения от установки-активатора к капельным водовыпускам. В рамках концепции решения задачи учета релаксационных процессов авторами предлагается использовать разработанную и апробированную модель состояния электрохимически активированной воды в системе капельного орошения. Моделирование состояния электрохимически активированной воды и водных растворов минеральных удобрений в системе капельного орошения проводится на основе имитации двух неразрывно связанных процессов: движения воды в системе напорных водоводов капельного орошения и динамики изменения активационного потенциала электрохимически обработанной воды и приготовленных на ее основе растворов. Синхронизация результатов моделирования указанных процессов позволяет эффективно прогнозировать активационный потенциал электрохимически активированной воды или растворов для любой заданной координаты в системе напорных водоводов капельного орошения. Экспериментальная проверка результатов моделирования показали, что максимальные различия модельных и опытных средних не превышают 1,5 % от уровня активации по окислительно-восстановительному потенциалу и 6,7 % - по водородному показателю.
Research, the results of which are given in on-standing work conducted by the authors in solving of actual problems of design of drip irrigation systems with a module of electrochemical activation of irrigation water. The working hypothesis of the research was the assumption about the necessity in the design of drip irrigation systems with a module of electrochemical activation account for the relax-
ation of electrochemically activated water in the process of moving from installation-activator to the drip outlets. Within the concept of solving the problem of accounting for relaxation processes, the authors propose to use the developed and tested model of the state of electrochemically activated water in the drip irrigation system. The modeling of electrochemically activated water and aqueous solutions of mineral fertilizers in drip irrigation system is based on the simulation of two inextricably linked processes: the movement of water in the system pressure water conduits of drip irrigation and the dynamics of change of the activation potential of the electrochemically treated water and using it as the base solutions. Synchronization of the simulation results of these processes allows to predict effectively the activation potential of electrochemically activated water or solutions for any given coordinates in the system of pressure water conduits is drip irrigation. Experimental verification of the simulation results showed that the maximum differences in the simulated and experimental averages are not precipitation exceeding 1.5% of the level of activation by redox potential and 6.7 % for hydrogen index.
Ключевые слова: электрохимическая активация, система капельного орошения, проектирование, релаксация, моделирование, прогноз.
Key words: electrochemical activation, the drip irrigation system, design, relaxation, modeling, prediction.
Введение. Известные технологии и практический опыт применения для полива электрохимически активированной воды и водных растворов минеральных удобрений с использованием систем капельного орошения свидетельствуют о существовании довольно жестких требований, предъявляемых к уровню активации водных систем непосредственно на капельных водовыпусках. В большинстве случаев указываются конкретные уровни параметров активации, или диапазон их допустимого варьирования не более 10 % от измененных значений окислительно-восстановительного потенциала и рН водной среды [9, 4, 1, 5, 7]. В то же время неравновесное состояние электрохимически активированной воды подвержено процессам релаксации, динамика которых может существенно снизить активационный потенциал и вывести его значения за пределы оптимального диапазона. Кроме того, следует учитывать, что эта проблема налагает дополнительные требования к системам капельного орошения, а также к методам их проектирования, которые должны теперь учитывать не только гидравлические сопротивления и потери напора [2, 10, 3], но и потери активационного потенциала электрохимически активированной воды. Настоящая работа является первой попыткой теоретического обоснования методики определения потерь активационного потенциала воды в системе капельного орошения на основе компьютерных моделей.
Материалы и методы. На практике значения активационных потенциалов редко бывают одинаковыми даже на смежных капельных водовыпусках и, безусловно, изменяются по длине поливного трубопровода. Принимая PN(0Bn рН) как значение активационного потенциала воды на последнем водовыпуске, а р/0^ рН) - соответственно, на первом, можно записать:
pN(0Bn, рН) _ р(0ВП, рН)<0 1 р(0ВП, рН) (1)
Учитывая, что экспериментальное определение активационных параметров трудоемко, требует специального оборудования, а число схем размещения модулей системы капельного орошения вкупе с их геометрическими размерами вообще не является определенной величиной, целесообразным видится для контроля соблюдения поставленного условия использование модели, обеспечивающей надежный прогноз распределения активационных параметров состояния оросительной воды (или водных растворов минеральных удобрений) в системе.
Создание модели для определения параметров состояния электрохимически активированных водных сред в системе капельного орошения предусматривает введение ряда определений и допущений, идеализирующих реальные процессы и объекты мате-
риального мира. Одним из ключевых определений, введение которого необходимо для построения указанной модели, является определение элементарного объема воды как идеализированного объекта с набором специфических качеств и свойств:
- во-первых, элементарный объем воды рассматривается как дискретный объект, не смешиваемый с другими подобными объектами. Движение этого объекта рассматривается как движение материальной точки или твердого тела со специфическими для них дискретными свойствами;
- во вторых, предполагается, что элементарный объем воды полностью сохраняет качественные и количественные характеристики электрохимически актированной воды или водных растворов. Под характеристиками здесь, прежде всего, понимается изменение окислительно-восстановительного потенциала или водородного показателя воды, а также водных растворов в результате электрохимической активации.
В общем случае любая произвольная система напорных водоводов представляет собой протяженный линейный объект с установленными правилами ветвления. Для описания линейных объектов целесообразно использовать систему линейных координат как эффективный способ организации географически определенных данных на основе относительного позиционирования вдоль линейного объекта. С другой стороны, важно учитывать пространственное ветвление напорных водоводов в системе капельного орошения. Учитывая вышесказанное, в качестве геопозиционной основы для разрабатываемой модели будет целесообразно использовать систему линейных координат с параметрами, определяемыми уровнем напорных водоводов системы капельного орошения. Тогда любую линейную координату X можно будет определить параметрами 1, ], п... - и другими в зависимости от числа уровней водоводов в рассматриваемой системе. Рассмотрим вариант, когда параметр 1 - определяет местоположение координаты на участковом трубопроводе, параметр ] - на распределительном трубопроводе, а параметр п - на поливном трубопроводе. За начало системы линейных координат целесообразно принять точку подключения установки для электрохимической активации оросительной воды к системе капельного орошения.
Среди прочих важных допущений при создании модели было принято, что движение воды в системе капельного орошения - установившееся, а расход воды каждой капельницей в пределах модуля системы капельного орошения одинаков, по крайней мере, при соблюдении допустимого уровня перепадов рабочих напоров. Значения последнего зависят от конструкции капельных водовыпусков и могут изменяться в широких, от 1,5-2,0 м до 25-30, пределах.
Материалами исследований стали результаты комплекса экспериментов, проведенных авторами в лабораторных и полевых условиях [8, 6].
Результаты и обсуждение. В самых общих чертах модель состояния электрохимически активированных водных сред в системе капельного орошения представлена на рисунке 1.
Исходными данными для модели являются: диаметры напорных трубопроводов (участкового - ё;, распределительного - поливного - ёп), м, д - производительность капельницы, л/час, шаг расстановки распределительных трубопроводов (1;), м, расстояние между точкой присоединения установки-активатора к системе и первым распределительным трубопроводом (1;0), м, шаг раскладки поливных трубопроводов (1Д м, расстояние между точкой соединения распределительного трубопровода с участковым и точкой присоединения первого поливного трубопроводом (1|0), м, шаг расстановки капельных водовы-пусков (1п), м, расстояние между точкой соединения поливного трубопровода с распределительным и первым капельным водовыпуском (1п0), м, общая протяженность участкового трубопровода от точки присоединения установки-активатора (11), м, общая протяженность распределительного трубопровода (1;), м, общая протяженность поливного трубопровода (1м), м, величина потенциала электрохимически активированной воды (раствора) на выходе
ИЗВЕСТИЯ'
№ 2 (42), 2016
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
из установки-активатора (Ро), мВ, комплекс функций, определяющих закон релаксации электрохимически активированной воды или растворов, состав водных сред, подвергающихся электрохимической активации.
Рисунок 1 - Структурная схема модели состоянияэлектрохимически активированной воды и водных растворов минеральных удобрений в системе капельного орошения
В исходные данные также входят параметры координаты X, определяющие положение расчетной точки в системе закрытых водоводов.
Блок имитации движения воды в напорных трубопроводах решает задачу по оценке закона перемещения элементарного объема воды в разноуровневых водоводах. Этот блок представлен, по сути, самостоятельной моделью, ядром которой является известное соотношение (рисунок 2):
^ = (2)
м па2' 4 '
где (И — длина отрезка трубопровода, м, — расход воды для данного отрезка трубопровода, л/с, Б - внутренний диаметр отрезка трубопровода, йЬ — время перемещения «элементарного» объема воды от начала к концу отрезка трубопровода, с.
Расчет проводится дискретно для участков трубопровода, в границах которых значения показателей из указанного соотношения остаются неизменными. Простое суммирование результатов расчета в последующем позволяет оценить время перемещения воды в напорных водоводах системы капельного орошения по любой заданной траектории. Модель также обеспечивает решение задачи перебора параметров координаты до расчетного сечения и комплекса задач по идентификации известных значений расчетного соотношения для расчетного отрезка трубопровода.
Модель позволяет определить главную пару данных: Хуп - координату, определяющую положение условной точки и ^п - время движения элементарного объема воды от установки-активатора до заданной координаты.
Другим ключевым блоком предложенной модели является компонента, проводящая процедуру оценки степени снижения потенциала электрохимически активированной воды (релаксации ЭХАВ) или водных растворов в закрытых системах с течением времени (рисунок 3).
ИЗВЕСТИЯ'
№ 2 (42), 2016
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Рисунок 2 - Модель движения воды в системе напорных водоводов инженерных сетей капельного орошения
Рисунок 3 - Модель релаксации электрохимически активированной воды и водных растворов минеральных удобрений
Первой процедурой этого расчетного блока является процедура выбора расчетной модели для определения динамики падения активационных параметров электрохимически активированных водных сред. При определении процедуры выбора следует исходить из того, что указанный комплекс расчетных зависимостей дифференцирован для водных растворов с разным химическим составом при разной концентрации. Это может быть природная оросительная вода, растворы минеральных удобрений в разной концентрации, растворы других веществ. Исходя из этого, выбор расчетной модели должен проводиться на основе идентификации показателей-характеристик водного раствора.
Каждая из моделей расчетного комплекса представлена регрессионными зависимостями величины потенциала электрохимически активированной воды, Р(Х), от продолжительности временного отрезка, X, прошедшего после электрохимической активации воды (растворов). Зависимости описывают закон релаксации электрохимически активированной воды или растворов разного состава и концентраций.
Закон релаксации в рамках рассматриваемого расчетного блока удобно представить в дифференциальной форме:
% = т . (3)
Тогда падение потенциала электрохимически активированной воды с1Р для любого времени X можно определить, решив приведенное уравнение через определенный интеграл:
ар = ;0/ * Л.
Собственно, выходом из блока оценки степени снижения потенциала электрохимически активированной воды могут являться как парные значения X и ёР в табличной форме, так и в форме связи этих показателей через определенный интеграл.
Полученные пары данных сводятся в сумматоре, который позволяет в комплексе оценить положение координаты Хуп, времени движения элементарного объема воды от установки-активатора до заданной координаты Хуп и величину снижения активацион-ного потенциала электрохимически активированной воды (АР) в течение времени ХуП. Имея в исходных данных начальное значение потенциала электрохимически активированной воды или ее раствора (Р0), можно получить значение потенциала Руп в момент времени ХуП. Главная пара данных, получаемая на выходе из этого блока, включает Хуп -координату, определяющую положение условной точки и Руп - значение окислительно-восстановительного потенциала электрохимически активированной воды (раствора), что позволяет оценить состояние электрохимически активированных водных сред в системе капельного орошения.
Проверка практической применимости предлагаемой модели проводилась методом сравнения с результатами экспериментальных исследований по критерию Фишера и оценки принадлежности прогнозируемых значений доверительному интервалу опытных средних.
Для эксперимента использовали капельную линию с некомпенсированными капельными водовыпусками протяженностью 60 м. Диаметр капельной линии 16 мм, шаг расстановки капельниц 0,3 м, производительность одной капельницы 1,2 л/час. Исследования были проведены с природной электрохимически активированной водой, - ано-литом и католитом, а также приготовленными на их основе растворами.
Теоретический критерий Фишера определяли для 5%-ного уровня значимости и сравнивали с фактическими, определенными по опытным данным значениям:
^*факт. — ^теорет., (4)
где 512 - значение большей дисперсии, а 522 - значение меньшей дисперсии.
Из приведенного выражения следует, что гипотеза о равенстве двух дисперсий подтверждается, если фактическое значение критерия Фишера меньше теоретического на 5 %-ом уровне значимости.
Результаты расчетов приведены в таблице 1 .
Расчеты подтвердили что, значения фактического критерия Фишера, полученного отношением дисперсий опытных и модельных данных, во всех случаях были меньше теоретического уровня для 5-%-ного уровня значимости, а сами результаты моделирования - находились в пределах доверительного интервала опытного среднего. Максимальные различия модельных и опытных средних не превышали 1,5 % от уровня активации по окислительно-восстановительному потенциалу и 6,7 % -по водородному показателю.
Таблица 1 - Результаты анализа соответствия модели по критерию Фишера
Показатель Состав активированной среды
Вода Сульфат калия Супере юсфат Карбамид
Католит Анолит Католит Анолит Католит Анолит Католит Анолит
Окислительно-восстановительный потенциал
Дисперсия модели 86,3 53,0 263,1 25595 2379,6 2570,2 250,2 751,4
Дисперсия опытных данных 124,9 123,5 224,6 22994 2029,9 2315,5 255,7 682,2
Бфакт. 1,45 2,33 1,17 1,11 1,17 1,11 1,02 1,10
Бтеор. 19,40 19,40 1,99 1,99 1,99 1,99 2,76 1,99
Водородный показатель (рН)
Дисперсия модели 0,0007 0,0016 0,005 2,293 1,031 0,018 0,032 0,007
Дисперсия опытных данных 0,0014 0,0014 0,012 2,079 0,924 0,020 0,042 0,007
Бфакт. 1,95 1,107 2,59 1,10 1,12 1,12 1,31 1,03
Бтеор. 19,40 3,330 2,76 1,99 1,99 2,76 2,76 2,76
Заключение. Разработанная и апробированная модель состояний электрохимически активированной воды и водных растворов минеральных удобрений, основанная на алгоритмах компьютерной имитации перемещения воды в системе напорных водоводов капельного орошения, синхронизированных с обобщенной моделью релаксации электрохимически активированной воды и приготовленных на ее основе растворов, позволяет эффективно решать частные задачи прогнозирования активационного потенциала электрохимически активированной оросительной воды в системе капельного орошения.
Библиографический список
1. Белицкая, М.Н. Электроактивированная вода: возможности использования в растениеводстве [Текст]/ М.Н. Белицкая, Е.Э. Нефедьева, 1^. Шайхиев // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17. - № 24. - С. 124-128.
2. Бородычев, В.В. Современные технологии капельного орошения овощных культур [Текст]: научное издание / В.В. Бородычев. - Волгоград: Радуга, 2010. - 241 с.
3. Гидравлический расчет лент системы капельного орошения [Текст]/ А.Е. Новиков, М.И. Ламскова, В.А. Моторин, В.В. Некрасова // Природообустройство. - 2014. - № 2. - С. 29-33.
4. Исследование антиоксидантной активности электрохимически активированной воды [Текст]/ Э.А. Александрова, Г.А. Шрамко, Б.Е. Красавцев, В.Б. Симкин // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. - 2013. - № 4. - С. 40-43.
234
5. Карпунин, В.В. Инновационные технологии и технические средства повышения эффективности систем капельного орошения [Текст]/В.В. Карпунин, А.Н. Чушкин, Е.И. Чушкина // Инновационные технологии повышения эффективности мелиоративных систем и безопасности гидротехнических сооружений. - Волгоград: ПНИИЭМТ, 2010. - С. 14-20.
6. Лытов, М. Н. Электрохимическая активация оросительной воды в системе эколого-ориентированных агротехнологий [Текст]/ М. Н. Лытов, А. Н. Чушкин, Е. И. Чушкина // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. - 2016. - № 1(61). - С. 102-107.
7. Продуктивность томатов при капельном орошении с использованием электрохимически активированной воды [Текст]/ С.Я. Семененко, М.Н. Лытов, Е.И. Чушкина, А.Н. Чушкин // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. - 2014. - № 2 (14). - С. 1-14.
8. Семененко, С.Я. Закономерности релаксации и восстановления свойств электрохимически активированных водных сред в системах с полимерной оболочкой [Текст]/ С.Я. Семененко, А.Н. Чушкин, М.Н. Лытов// Использование мелиорированных земель - современное состояние и перспективы развития мелиоративного земледелия: материалы международной научно-практической конференции. - Тверь: ВНИИМЗ, 2015. - С. 208-212.
9. Система капельного орошения с модулем активации оросительной воды [Текст]/ В.Г. Абезин, С.Я. Семененко, А.Л. Сальников, Н.А. Сальникова // Известия Нижневолжского агро-университетского. комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2013. - № 1(29). - С. 154-158.
10. Современное промышленное производство овощей и картофеля с использованием систем капельного орошения и фертигации [Текст]/ Л.С. Гиль, В.И. Дьяченко, А.И. Пашков-ский, Л.Т. Сулима. - Ж.: ЧП «Рута», 2007. - 390 с.
Reference
1. Belickaja, M.N. Jelektroaktivirovannaja voda: vozmozhnosti ispol'zovanija v rastenievodstve [Tekst]/ M.N. Belickaja, E.Je. Nefed'eva, I.G. Shajhiev // Vestnik Kazanskogo tehnologicheskogo universiteta. - 2014. - Vol. 17. - № 24. - P. 124-128.
2. Borodychev, V.V. Sovremennye tehnologii kapel'nogo oroshenija ovoshhnyh kul'tur [Tekst] : nauchnoe izdanie / V.V. Borodychev. - Volgograd: Raduga, 2010. - 241 p.
3. Gidravlicheskij raschet lent sistemy kapel'nogo oroshenija [Tekst]/ A.E. Novikov, M.I. Lamskova, V.A. Motorin, V.V. Nekrasova // Prirodoobustrojstvo. - 2014. - № 2. - P. 29-33.
4. Issledovanie antioksidantnoj aktivnosti jeletrohimicheski aktivirovannoj vody [Tekst]/ Je.A. Aleksandrova, G.A. Shramko, B.E. Krasavcev, V.B. Simkin // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Pishhevaja tehnologija. - 2013. - № 4. - P. 40-43
5. Karpunin, V.V. Innovacionnye tehnologii i tehnicheskie sredstva pov-yshenija jeffektivnosti sistem kapel'nogo oroshenija [Tekst] /V.V. Karpunin, A.N. Chushkin, E.I. Chushkina // Innovacionnye tehnologii povyshenija jeffektivnosti meliorativnyh sistem i bezopasnosti gidrotehnicheskih sooruzhenij. - Volgograd: PNIIJeMT. - 2010. - P. 14-20
6. Lytov, M. N. Jelektrohimicheskaja aktivacija orositel'noj vody v sisteme jekologo-orientirovannyh agrotehnologij [Tekst]/ M. N. Lytov, A. N. Chushkin, E. I. Chushkina // Puti povyshenija jeffektivnosti oroshaemogo zemledelija. - 2016. - № 1(61). - P. 102-107.
7. Produktivnost' tomatov pri kapel'nom oroshenii s ispol'zovaniem jelektrohimicheski aktivirovannoj vody [Tekst]/ S.Ja. Semenenko, M.N. Lytov, E.I. Chushkina, A.N. Chushkin // Nauchnyj zhurnal Rossijskogo NII problem melioracii. - 2014. - № 2 (14). - P. 1-14.
8. Semenenko, S.Ja. Zakonomernosti relaksacii i vosstanovlenija svojstv jelektrohimicheski aktivirovannyh vodnyh sred v sistemah s polimernoj obolochkoj / S.Ja. Semenenko, A.N. Chushkin, M.N. Lytov// Ispol'zovanie meliorirovannyh zemel' - sovremennoe sostojanie i perspektivy razvitija meliorativnogo zemledelija: materialy mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. - Tver': VNIIMZ, 2015. P. - 208-212.
9. Sistema kapel'nogo oroshenija s modulem aktivacii orositel'noj vody [Tekst]/ V.G. Abezin, S.Ja. Semenenko, A.L. Sal'nikov, N.A. Sal'nikova // Izvestija Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo. kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. - 2013. - № 1(29). - P. 154-158.
10. . Sovremennoe promyshlennoe proizvodstvo ovoshhej i kartofelja s ispol'zovaniem sistem kapel'nogo oroshenija i fertigacii [Tekst]/ L.S. Gil', V.I. D'jachenko, A.I. Pashkovskij, L.T. Sulima. -Zh.: ChP «Ruta», 2007. - 390 p.
E-mail: [email protected]
