CC BY
53
Михайлова О. В.
д. т. н., доцент
Чувашская государственная сельскохозяйственная академия кафедра «Электрооборудование и механизация переработки
сельскохозяйственной продукции» г. Чебоксары
ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ С ИСТОЧНИКАМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОСЛЕУБОРОЧНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН КОРМОВЫХ КУЛЬТУР
Аннотация: Рассмотрены гипотеза, актуальность, новизна, практическая значимость исследований, возможность практического использования материалов исследования в деятельности предприятий, учебном процессе, научной деятельности, результаты исследования.
Ключевые слова: Электромагнитное излучение, технические средства, послеуборочная обработка, семена кормовых культур.
Justification and development of technical means of electromagnetic radiation sources for the process
postharvest processing of fodder plant seed
Michailova O. V.
Chuvash state agricultural academy
Аbstract: Considered hypothesis, relevance, novelty, practical significance of the research, the possibility of the practical use of research materials in enterprises, educational process, scientific activities, research results.
Keywords: Electromagnetic radiation, facilities, post-harvest treatment, seeds of forage crops.
Гипотеза исследований о снижении энергетических затрат на послеуборочную обработку семян кормовых культур, о повышении качества очистки, всхожести и увеличении энергии прорастания семян кормовых культур после воздействия технических средств с источниками электромагнитных излучений базируется на применении основ теории электромагнитного поля, теории процесса диэлектрического нагрева, общепринятых методиках экспериментальных исследований с применением электронной цифровой регистрирующей аппаратуры. Государственная программа развития АПК на 2008-2012 годы определила, что главной задачей экономического и социального развития страны является повышение темпов и эффективности развития экономики на базе ускорения научно-технического прогресса, перевооружения и реконструкции производства, повышения качества оборудования. В настоящее время приоритетным направлением технической политики в агропромышленном комплексе является создание малогабаритной, надежной техники для организации производства и переработки сырья у производителя [Постановление кабинета министров ЧР от 31.03.2009 № 103 «Развитие АПК ЧР и регулирование рынка сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008...2015 годы»].
Для достижения данной программы на региональном уровне необходимо: осуществить техническую модернизацию цехов послеуборочной обработки семян кормовых культур; снизить энергопотребление за счет внедрения современных технологий обработки, повышающих качество очистки и сушки семян. В результате реализации программы к 2015 году будет обеспечено увеличение использования производственной мощности предприятий за счет проведения модернизации на инновационной основе. Поэтому разработка научно-обосно-ванного принципа создания многоцелевых технических средств с источниками электромагнитных излучений, обеспечивающих повышение качества обработки продукции растениеводства за счет комплексного воздействия физических факторов на зерновой ворох, актуальна.
Новизну исследований представляют:
1) методика термообработки зернового вороха воздействием электромагнитных излучений в рабочей камере;
2) математические зависимости, позволяющие обосновать конструкционные и технологические параметры рабочих камер, и режимов работы установок, на основе системно-комплексного решения проблемы повышения качества послеуборочной обработки, всхожести и энергии роста семян кормовых культур;
3) разработанные модификации сушильно-семяочистительных машин (сепараторов) зернового вороха;
4) конструкция индуктора (магнитно-индукционный сепаратор) состоящая из одной индукционной поверхности, второй индукционной поверхностью, проводящей электрический ток будет являться смесь магнитного порошка, семян, соли и воды;
5) конструкция резонаторной камеры СВЧ-магнитного сепаратора;
6) закономерности влияния режимов работы установок на динамику засоренности и сушки зернового вороха;
7) рациональные режимы и комплекс конструктивно-технологи-ческих параметров, обеспечивающих очистку и подсушку зернового вороха, при сниженных энергетических затратах.
Практическую значимость исследования представляет изготовление и апробация в производственных условиях технических средств с источниками электромагнитных излучений для технологического процесса послеуборочной обработки семян кормовых культур; выводы полученные по результатам исследования; конструкторская документация.
Основные направления дальнейшего использования научных исследований. Планируемая методика создания сушильно-семяочисти-тельных машин позволит на основе рекомендуемой производительности подбирать оптимальную конструкцию и режимы воздействия электромагнитных излучений. Будут разработаны рекомендации и предложения для производства установок.
Вся сложная цепочка технологических операций очистки семян по своему целевому назначению и применяемым техническим средствам подразделяется на следующие основные этапы: предварительная очистка свежеубранного семенного вороха, первичная очистка, вторичная очистка и сортирование.
Проведя обзор существующих семяочистительных машин, за основу нами была выбрана машина марки К-590А, так как машина именно этой марки находит наибольшее применение в хозяйствах нашей республики и предназначена для очистки семян клевера, люцерны, донника, льна и др. культур от трудноотделимых семян сорных растений (повилики, горчака, подорожника, смолёвки , плевела и др.), а также щуплых, поврежденных и битых семян основной культуры. Такие машины применяются самостоятельно и в составе поточных семяочистительных линий.
Основываясь на существующие способы очистки и технические средства для очистки семенного вороха, нами предлагается несколько вариантов сепараторов, принцип работы которых основан на использовании индукционного (или СВЧ) нагрева семенного вороха, обработанного трифолином. Применение одного из вариантов сепаратора позволит проводить более качественную очистку семян и снизить энергетические затраты на послеуборочную обработку семян, путем исключения процессов активного вентилирования и подсушки семян, за счет совмещения трех процессов (сепарации, вентиляции, сушки) в
Сепаратор: 1 - загрузочный Основные узлы сепаратора: 1 -бункер; вибрационный желоб; 2 -
2 - увлажнитель семян; 3 - направляющее устройство; 3 -смешивающее устройство; 4,5- магнитно-индукцион-ный барабан; 4 -бункера отходов; 6 - приёмник чистых ограничитель рабочей ширины; 5 -семян; 7 - магнитно-индукционный сборник; 6 - щиток; 7, 8, 9 - емкости барабан; 8 - вибрационный для семян I, II, III сортов распределитель; соответственно
9 - бункер порошка; 10 - наклонный шнек; 11 - порошок; 12 - бачок для рассола
одном техническом средстве. Т. е. из технологической линии послеуборочной обработки семян будет убран бункер активного вентилирования. Что позволит интенсифицировать процесс заготовки семян кормовых культур, уменьшить площадь занимаемую оборудованием, снизить расходы на покупку сушилки, и как следствие сократить энерго-, трудозатраты.
, Сепаратор предназначен для очистки семян кормовых культур от
I сорных примесей в поточном режиме. Установка обеспечивает
регулирование дозы воздействия в широком диапазоне за счет изменения ^^¿¿¿¡^^^^ мощности источников энергии и скорости перемещения обрабатываемого
продукта по поверхности магнитно-индукционного барабана. Сепаратор работает следующим образом. Семена из загрузочного бункера поступают в верхнюю камеру смешивающего устройства и перемещаются наклонными лопатками вращающегося вала к противоположной стороне, I / попутно смешиваясь с рассолом. Дозатор подает магнитный порошок в
поток семян. При транспортировке в верхней и нижней камерах семена смешиваются с порошком, который обволакивает семена сорных растений, имеющих шероховатую поверхность, придавая им магнитные свойства. Семена кормовых культур, имеющие гладкую поверхность, порошком не обволакиваются. Из нижней камеры смешивающего устройства смесь поступает в наклонный шнек и загружается на вибрационный распределитель. Семена, не покрытые порошком, соскальзывают ещё в зоне действия магнитно-индукционного барабана, остальные падают при выходе из этой зоны. С помощью классификатора материал разделяется на 3 фракции: чистые полноценные семена; щуплые семена и малошероховатые семена сорняков; загнившие, повреждённые вредителями, битые, мятые семена, шероховатые семена сорняков и излишки порошка. Нами предлагается несколько модификаций сепаратора. Например, в первом магнитном барабане чередуясь посегментно расположить индукционные поверхности.
Индукционные поверхности способны обеспечить высочайшую точность нагрева, с точностью до градуса, и любое изменение температуры происходит мгновенно. В каком-то смысле это тоже не что иное, как трансформатор: его первичной обмоткой является индукционная катушка, по которой протекает электрический ток. Его частота намного выше тех 50 Гц, которые есть в каждой розетке, и составляет 2060 кГц. А вторичной обмоткой трансформатора в нашем случае будет являться смесь магнитного порошка, рассола и семян. В магнитном порошке наводятся токи индукции, которые нагревают его, а заодно и семена. Нет никакой передачи тепловой энергии снизу вверх, а значит, нет и тепловых потерь. С точки зрения эффективности использования потребляемой электроэнергии индукционная поверхность выгодно отличается от всех других: нагрев происходит быстрее, а КПД нагрева выше.
Второй вариант сепаратора содержит СВЧ генератор электромагнитных колебаний с частотой 2450 МГц. Предлагаемый вариант сепаратора состоит из экранирующего корпуса, в котором закреплены резонаторные камеры. С наружной стороны корпуса прикреплены генераторные блоки так, что излучатели направлены в соответствующие резонаторные камеры. Транспортер проходит сквозь образованную шахту. Производительность установки зависит от количества генераторных блоков с резонаторными камерами и их мощности. Рабочая емкость, должна быть выполнена из неферромагнитного материала, и предназначена для транспортировки семенного вороха, содержать резонаторные камеры и обеспечивать экранизацию потока электромагнитных излучений. Причем расстояние от транспортера до самой высокой точки резонаторной камеры кратно четверти длины волны, для ограничения краевого потока ЭМИ одного генератора на другой. При этом силовые линии электрического поля замыкаются через сырье (смесь семян, порошка, соленой воды), что и обеспечивает его нагрев.
Диэлектрический нагрев обладает существенными преимуществами перед другими видами нагрева, так как он позволяет: концентрировать очень большие мощности в малых объёмах материала; получить равномерный нагрев однородного материала с низкой теплопроводностью при большой интенсивности нагрева; легко осуществить избирательный нагрев; легко регулировать заданный температурный режим; осуществить более полную механизацию и автоматизацию технологических процессов.
Сушка семян в объемном резонаторе СВЧ генератора возможна только в циклическом режиме - при многократном чередовании нагрева и пауз, необходимых для выравнивания давления и температуры в компонентах семян и за счет теплопередачи от трифолина к семенам. При последовательном расположении СВЧ генераторов расстояние между ними не должно быть меньше ширины одной рабочей камеры.
Главным условием является применение именно ферромагнитной смеси, как проводящей, неразрывной среды. Для увеличения ее проводимости нами проведен эксперимент по изучению концентрации соли в распыляемом рассоле. Оптимальная масса соли на 30 грамм трифолина составляет 5 грамм. Именно при таком
сочетании, происходи нагрев смеси. Нагрев проводили при следующих мощностях: 400, 1000, 1200, 1500 Вт. Удельная мощность при нагреве составляла 4 Вт/г, 10 Вт/г, 12 Вт/г, 15 Вт/г.
Продолжительность нагрева, с
Для определения оптимальной удельной мощности и продолжительности нагрева пользовались лабораторной СВЧ установкой, индукционной поверхностью, секундомером, термопарой и спиртовым термометром исследовали динамику нагрева различных сочетаний компонентов (в семи повторностях). Данные кривые построены по средним значениям температур нагрева, найденные путем повтора опыта. В нашем случае нагрев проводился семь раз в каждом промежутке времени и при необходимой мощности. Масса образца 50 граммов.
Индукционный и СВЧ нагрев смеси люцерны и трифолина при разных удельных мощностях: 1) Руд = 2 Вт/г; 2) Руд = 4 Вт/г; 3) Руд = 6 Вт/г
Нами получены следующие результаты: и для клевера и для люцерны - при удельных мощностях 1,2 Вт/г, 5 Вт/г, 8 Вт/г продолжительность сушки составит 30 секунд; (магнитно-индукционная конструкция); и для клевера и для люцерны - при удельных мощностях 2 Вт/г; 4 Вт/г; 6 Вт/г продолжительность сушки составит 20 секунд (СВЧ-магнитная конструкция). На каждом графике можно увидеть теоретически построенные сглаживающие аппроксимирующие кривые, описанные логарифмическим уравнением с указанием величины достоверности.
38.3°с
каза-
Магнитный порошок
Магнитны й порошок с солью
Магнитный порошок, семена с солью и водой
Результаты прорастания семян после обработки
Для подтверждения соблюдения температурного режима нами была проведена тепловизионная съемка всех компонентов смеси [1]. Применение тепловизора позволило точно выявить температуру в различных сочетаниях компонентов. Мы видим, что нагрев происходит равномерно, в то же время не превышается допустимая температура в 35 градусов Цельсия, т. е. сохранены посевные качества семян и подтверждается более чем 20 актами, на каждую группу прорастания семян. Посевные качества обработанных семян клевера и люцерны проверялись в «Россельхозцентр» Нижегородской области. Средний процент прорастания клевера 82,8 %.
Технико-экономическое обоснование проекта показывает, что реализация сепаратора в качестве лабораторного стенда в учебном процессе среднеспециальных и высших учебных заведений РФ принесет общую прибыль до 20 000 000 рублей, а по своему прямому назначению, т. е. в АПК от каждого хозяйства РФ. В среднем по республике Чувашии до 8 000 000 рублей. Т. е. производство данной установки является выгодным.
Выводы.
- проведен обзор существующих магнитных семяочистительных машин;
- изучено устройство и принцип работы магнитной семяочистительной машины;
- изучено воздействие альтернативных методов сушки (с использованием индукционного и СВЧ нагрева) семян кормовых культур;
- проведены экспериментальные исследования, позволяющие выявить оптимальную удельную мощность воздействия и продолжительность воздействия (использование генераторов электромагнитных излучений 2450 МГц и индукционных поверхностей, электронных весов, термопары);
- проведены экспериментальные исследования позволяющие выявить оптимальную температуру нагрева семян до 35 градусов Цельсия (тепловизионная съемка);
- проведены экспериментальные исследования всхожести семян (средняя всхожесть составляет 82,5 %) ли энергии их роста (получено более 20 актов, на каждую группу обработки семян);
- совмещение отдельных узлов и разных машин, используемых при магнитной очистке и сушке семян, позволит интенсифицировать процесс заготовки семян кормовых культур, уменьшить площадь занимаемую оборудованием, снизить расходы на покупку сушилки, и как следствие сократить энерго-, трудозатраты. Поэтому данное исследование имеет научную и практическую значимость как для учебных заведений (в качестве лабораторных стендов по дисциплинам: «Процессы и аппараты», «Оборудование и автоматизация перерабатывающих производств», «Электротехнологии», «Технологическое оборудование для переработки сельскохозяйственной продукции»), так и для сельскохозяйственных предприятий (крестьянско-фермерские хозяйства, индивидуальные предприниматели, специализирующиеся на переработке продукции);
- применена оценка технико-экономической эффективности установок в фермерских хозяйствах и учебных заведениях.
Список литературы
1. Михайлова О. В., Осокин В. Л., Новикова Г. В., Кириллов Н. К. Светотехника. -
Княгинино: НГИЭИ, 2013. - 380 с.
