CC BY
48
19. Jah'jaev N. Ja., Korablin A. V. Osnovy teorii nadezhnosti i diagnostika [Fundamentals of reliability theory and diagnostics]: uchebnik dlja stud. vyssh. ucheb. zavedenij. Moscow: Publ. «Akademija», 2009. 256 p.
20. Kashtanov V. A., Medvedev A. I. Teorija nadezhnosti slozhnyh system [Reliability theory of complex systems]. Moscow: FIZMATLIT, 2010. 609 p.
21. Zorin V. A. Osnovy rabotosposobnosti tehnicheskih sistem [Foundations of systems health technical]: uchebnik dlja stud. vyssh. ucheb. zavedenij. Moscow: Publ. «Akademija», 2009. 208 p.
22. Starov V. N., Zhulaj V.A., Nilov V.A. Osnovy rabotosposobnosti tehnicheskih sistem [Foundations of systems health technical]: uchebnoe posobie. Voronezh: Voronezhskij gosudarstvennyj arhitekturno-stroitel'nyj universitet, JeBS ASV, 2012. 272 p.
23. Isaenko P. V., Isaenko A. V. Osnovy rabotosposobnosti tehnicheskih system [Foundations of systems health technical]. Uchebnoe posobie s grifom UMO. Tomsk.: Publ. Tom. gos. arhit. un-ta, 2014. 324 p.
Submitted 19.12.2017, revised 11.01.2018.
About the authors:
Aleksandr E. Krupin, Ph. D. (Engineering), assistant professor of the chair «Technical service»
Address: Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics,
606340, Russia, Knyaginino, Oktyabrskaya Str., 22a
E-mail: krupin-ngiei@mail.ru
Spin-code: 1002-3800
Evgenij A. Lisunov, Dr. Sci. (Engineering), professor, professor of the chair «Technical service»
Address: Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics,
606340, Russia, Knyaginino, Oktyabrskaya Str., 22a
E-mail: lea63@yandex.ru
Spin-code: 1948-8977
Аleksandr А. Kalashov, assistant professor of the chair «Technical service» Address: Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics, 606340, Russia, Knyaginino, Oktyabrskaya Str., 22a E-mail: aleksandrkalashov@yandex.ru Spin-code: 9018-9543
Contribution of the authors: Aleksandr E. Krupin: collection and processing of materials, writing the final text. Evgenij A. Lisunov: managed the research project, analysing and supplementing the text. Aleksandr А. Kalashov: search for analytical materials in Russian and international sources.
All authors have read and approved the final manuscript.
05.20.01 УДК 631
СТИМУЛЯЦИЯ ПРОБУЖДЕНИЯ СЕМЯН И РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ РАПСА МЕТОДОМ АКУСТИЧЕСКОЙ КАВИТАЦИИ
© 2018
Евгений Геннадьевич Иванов, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология металлов и ремонт машин» Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, Нижний Новгород (Россия)
Елена Евгеньевна Чавачина, магистрант Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, Нижний Новгород (Россия) Анна Александровна Гаврилова, кандидат биологических наук, доцент кафедры «Физика и прикладная механика» Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, Нижний Новгород (Россия)
Никита Владимирович Кокорин, аспирант Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, Нижний Новгород (Россия)
Аннотация
Введение: рапс становится стратегической сельскохозяйственной культурой, поскольку продукт его переработки - рапсовое масло есть дополнительный вид энергоносителя. Для увеличения объёмов его производства следует увеличивать посевные площади под эту культуру, но это не всегда возможно. В данной статье рассмотрен способ повышения урожайности культуры с помощью воздействия на семена рапса акустической кавитацией. Целью исследований является рассмотрение влияния кавитационной обработки на стимуляцию пробуждения семян и на развитие растений рапса и выявление механизма этого процесса. Материалы и методы: эксперимент, измерение, сравнение, изучение и обобщение, анализ и синтез. Результаты: получены результаты обработки семян рапса в пассивной и активной зонах кавитатора. Анализ результатов показывает, что оба вида обработки целесообразны для проведения исследований, и обработка в активной зоне целесообразна для использования в качестве индустриальной технологии.
Обсуждение: в частности, активный вид обработки позволяет повысить выход рапсового масла по сравнению с контрольной партией на 13,5 %, что наряду с повышением урожайности дает возможность увеличить выход рапсового масла с тех же площадей на 13,5 • 99:80 ~ 17 %.
Заключение: предлагается акустико-кавитационная технология предпосевной обработки семян рапса, которая позволяет: во-первых, увеличить всхожесть его семян, следовательно, и его урожайность. Во-вторых, обработанные семена дают более ранние всходы, растения захватывают большой диапазон повышенной солнечной активности весеннего-летнего периода, быстрее развиваются и в итоге имеют более высокие геометрические параметры. В-третьих, плоды первого урожая у таких растений имеют наилучший биохимический состав. Ключевые слова: активное воздействие, акустическая кавитация, биологический эффект, биохимические показатели, всхожесть, звуковая волна, излучатель, кавитатор, пассивное воздействие, рапс, рапсовое масло, режим обработки, сельское хозяйство, семена, стимуляция, физиологические показатели, частицы.
Для цитирования: Иванов Е. Г., Чавакина Е. Е., Гаврилова А. А., Кокорин Н. В. Стимуляция пробуждения семян и развития растений рапса методом акустической кавитации // Вестник НГИЭИ. 2018. № 2 (81). С. 53-67.
STIMULATION OF AWAKENING THE SEEDS AND DEVELOPMENT A PLANTS OF RAPE
BY THE ACOUSTIC CAVITATION METHOD
© 2018
Evgeniy Gennadyevich Ivanov, Ph. D. (Engineering), associate professor of the chair «Technology of metals and repair of machines» Nizhny Novgorod State Agricultural Academy, Nizhny Novgorod (Russia)
Elena Evgenyevna Chavachina, master Nizhny Novgorod State Agricultural Academy, Nizhny Novgorod (Russia) Anna Alexanderovna Gavrilova, Ph.D. (Biology), associate professor of the chair «Physics and applied mechanics» Nizhny Novgorod State Agricultural Academy, Nizhny Novgorod (Russia)
Nikita Vladimirovich Kokorin, postgraduate student Nizhny Novgorod State Agricultural Academy, Nizhny Novgorod (Russia)
Abstract
Introduction: rape becomes a strategic agricultural crop as the product of its processing - rapeseed oil is an additional kind of energy carrier. To increase volume of production, we need to increase the acreage under this crop, but it is not always possible. The paper describes a method of increasing the yield of this agricultural crop due to the impact on rape seed by acoustic cavitation. The aim of the research is examine the effect of cavitation impact on the stimulation awakening of the seed and on the growth of rape plants and to determine the mechanism of this process. Materials and Methods: experiment, measuring, comparison, study and generalization, analysis and synthesis. Results: The article considers the results of rape seeds treatment in the passive and active zones of the cavitator and proves that both treatments are suitable for research. Treatment in the active area is suitable for use as an industrial technology.
Discussion: the active type of treatment allows increasing the yield of rapeseed oil in comparison with the control lot by 13.5 %, which makes it possible to increase the yield of rapeseed oil from the same areas by 13.5 * 99/80 ~ 17 %.
Conclusion: the acoustic-cavitation technology of pre-seeding treatment of rape seeds is proposed, which allows: firstly, increasing the germination capacity of its seeds, and consequently its yield. Secondly, the treated seeds give earlier shoots, the plants capture a large range of increased solar activity in the spring - summer period, develop faster and eventually have higher geometric parameters. Thirdly, the fruits of the first harvest in such plants have the best biochemical composition.
Keywords: active effect , acoustic cavitation, biological action, biochemical parameters, germination, sound wave, emitter, cavitator, passive effect, rape, canola oil, processing mode, agriculture, seeds, stimulation, physiological indicators, particle.
For citation: Ivanov E. G., Chavachina E. E., Gavrilova A. A., Kokorin N. V. Stimulation of awakening the seeds and development a plants of rape by the acoustic cavitation method // Bulletin NGIEI. 2018. № 2 (81). P. 53-67.
Введение
В настоящее время рапс становится стратегической сельскохозяйственной культурой, поскольку одним из направлений его применения является продукт его переработки - биотопливо, а оно дополнительно к газу и нефти является видом углеводородного энергоносителя. Для увеличения объёмов его производства следует повышать урожайность, увеличивать посевные площади. Последнее обстоятельство сопряжено либо с сокращением площадей под другими культурами, что не всегда является целесообразным, либо к перемещению этой культуры на более северные широты. Однако климатические условия на этих широтах не обеспечивают вызревание плодов этих растений ввиду того, что вегетационный период не полностью совпадает с периодом максимальной солнечной активности и освещения и, во-вторых, длительности благопри-
ятных температурных условий недостаточно для существующего вегетационного периода растений.
Выход из такой ситуации может быть обеспечен предпосевной обработкой его семян, а именно акустико-кавитационной обработкой, причём, как по «мокрой» [1, с. 53; 2, с. 148] технологии, так и по «сухой». Акустико-кавитационный вид предпосевной обработки имеет неоспоримые преимущества перед известными: барботированием, СВЧ и КВЧ обработкой, обработкой электромагнитными полями, озоном, взрывом, различными видами излучений и т. д.
Сущность акустической кавитации заключается в том, что при воздействии излучателя, например пьезоэлектрического или магнитострикционно-го типа [3, с. 50], жидкость в его пристенной области приводится в движение (рис. 1).
Рис. 1. Схема разгонного участка группы частиц на поверхности излучателя Fig. 1. Diagram of the upper area group of particles on the surface of the emitter
Причем, жидкое агрегатное состояние воды, находящееся между льдом, имеющим сплошную по всему его объёму кристаллическую решётку, и между паром, состоящим из хаотично движущихся молекул воды [4, с. 24], характеризуется, по мнению многих исследователей, локальными кристаллическими структурами микрочастицами [5, с. 30]. Между этими частицами имеет место:
- дистанция, благодаря которой жидкость обладает сжимаемостью;
- притяжение, благодаря чему вода имеет определенную прочность на разрыв, обладает свойством поверхностного натяжения и т. д.;
- относительное их движение, благодаря чему капельные жидкости приобретают форму вмещающей их ёмкости, образуют свободную поверхность, текут и т. д. [6, с. 43].
Возмущение в жидкости передаётся со скоростью звука [7, с. 52]:
с jp j
^ = 1414М ,
1 О О О С '
в этом случае участвуют связи между частицами, а для нахождения давления во фронте волны жидкость можно при некоторых допущениях уподобить модели, содержащей абсолютно упругие тела, кото-
рые взаимодействуют между собой от воздействия поверхности излучателя.
Для гармонических колебаний излучателя
первая фаза - периода колебаний происходит с на-
8
растанием скорости во времени, что обеспечивает последующий догон поверхностью излучателя каждой приведенной им в движение частицы жидкости.
Далее этот механизм повторяется, но уже не самой поверхностью излучателя, а через частицы, непосредственно контактирующие с излучателем.
По достижении поверхностью излучателя максимальной скорости движения (окончание фазы
- периода) новые частицы жидкости приводятся в движение ранее разогнанными частицами. При этом в полной мере работает эффект обмена энергиями у сталкивающихся частиц, за счет которого ранее неподвижная частица приобретает почти удвоенную скорость от группы воздействующих частиц (рис. 2), а медленно движущиеся частицы при воздействии на них в режиме догона более быстрых частиц также обмениваются энергией и приобретают скорость последних.
Рис. 2. Кинематика взаимодействия группы частиц с исходно неподвижной мишенью из условия абсолютного упругого удара (на основании закона сохранения энергии и закона сохранения импульса) Fig. 2. The kinematics of interaction between groups of particles from the source not a moving target
from the condition of absolute elastic collision (on the basis of the law of conservation of energy and law of conservation of momentum)
Следовательно, скорость группы частиц не превышает максимальную скорость поверхности излучателя. Скорость одиночной частицы после взаимодействия с группой частиц стремится к двум скоростям поверхности излучателя.
В итоге по данной фазе процесса можно заключать, что его протекание:
1. Исключает встречное фронтальное соударение двух частиц.
2. Максимальная скорость попутного взаимодействия не превышает двух скоростей движения поверхности излучателя, а такое соударение обуславливает незначительное давление во фронте волны. Так при частоте 3000 Гц и амплитуде колебаний поверхности излучателя, равной 0,25 мм, значение максимальной скорости одиночных частиц при соударении с другими одиночными составит 4,7 —, а импульс давления — 6,7 МПа.
Поперечная компонента движения частиц снижает величину проекции скорости на направление движения поверхности излучателя, и многократные не фронтальные взаимодействия приводят
к диссипации энергии. Следовательно, рассмотренные фазы акустико-кавитационного технологического процесса не являются определяющими.
После разгонного участка
— 1
= 4'
Поверхность излучателя затормаживает свое движение, что по мере отставания обеспечивает вначале увеличение расстояния между частицами в пределах действия сил упругости, а далее при полной остановке излучателя отрыв частиц жидкости от его поверхности
— 1 Т = 2'
При обратном ходе поверхности излучателя расстояние между частицами увеличивается в еще большей степени, что вызывает в каждом зародыше (микропузырьки воздуха [8, с. 52], пылинки, ионизированные объёмы от пролёта элементарных частиц, другие инородные включения) разрыв жидкости, а в манометрической фазе схлопывание образовавшихся каверн со встречным движением каждой стенки со скоростью звука [9, с. 101] (рис. 3):
Рис. 3. Сущность явления акустической кавитации Fig. 3. Phenomenon of acoustic cavitation
- при соударении встречно движущихся стенок создаются высокие давления, согласно формуле Жуковского для импульсных процессов [10, с. 71]
Ар = У0 Ср = 2 900 • 1450 ■ 1000 = 4,2 тыс. МПа, где У0 = 1450 + 1450 ~ 2 900 — — суммарная скорость встречного движения соударяющихся стенок;
С = 1450 — — скорость распространения звука в воде;
р = 1 0 0 0 — — плотность воды, —
что с учётом «эффекта хлыста» [5, с. 45], обусловленном эволюциями формы несферических ка-
верн, этот результат ещё выше, а это, в свою очередь, обеспечивает:
- высокую плотность энергии, которая преобразуется в тепловую форму с ростом температуры в нанообъёмах схлопывания до 1 = 10 0 000;
- магнитные и электрические взаимодействия;
- вторичные волны с высоким градиентом
йр л _ г.МПа йр л л г. „„МПа
давлений от—~1,3 2-до —~11 200-, которые
й I — й I —
деформируют жидкость на наноуровне с изменением её структуры и свойств.
В итоге механизм процесса сводится к созданию звуковых волн с малой амплитудой давления, которые вызывают накопление упругой энергии в виде образования кавитационной каверны, и кратковременную её реализацию в виде схлопыва-ния этой каверны.
Следовательно, семена подвергаются точечному воздействию температуры и давлений с высокими градиентами, физических полей, длины вторичных волн становятся соразмерными с длинной семян (твт0р — 3 , 0 мм), что вызывает в каждом из них образование кратковременных стоячих волн, которые пробуждают семена и активизируют жизненные процессы в них [11, с. 21]. В этом случае имеет место массажный эффект, высокая проницаемость мембран, активизация диффузионных и обменных процессов [12, с. 280].
Большинство известных кавитаторов являются жидкостными свистками или гидравлическими сиренами, которые создают акустическое поле в
своём рабочем пространстве [13, с. 176], их использование позволяет превратить рассматриваемый метод из выше рассмотренного лабораторного в индустриальный.
Материалы и методы
В качестве экспериментальной установки было применено наиболее универсальное из устройств для звуковой обработки жидких сред — многофункциональный вихревой кавитатор (жидкостный свисток), представленный на рисунке 4 [14, с. 5].
Насос создаёт напорный поток, который тангенциально входит в улитку и образует первый источник упругих колебаний. Вторым источником звукообразования является процесс колебания консольных пластин тормозного устройства за счёт обтекания их потоком рабочей жидкости. В результате схождения двух упругих волн образуется стоячая волна, которая предполагает удвоенную амплитуду колебаний, соответственно, более высокий уровень энергии и большее тепловыделение в акте схлопывания.
Рис. 4. Основные узлы вихревого кавитатора: 1 - корпус; 2 — тормозное устройство; 3 — ускоритель движения жидкости; 4 - насос Fig. 4. Main nodes of the vortex cavitator: 1 - corpus; 2 - braking device; 3 - accelerator movement of fluid; 4 — pump
(по Кокорину Н. В., Иванову Е. Г., 2013) [16, с. 191; 15, с. 29]
Объектом исследования являлись семена рапса (Вг^юапарш) сорта «Ратник». Всего в эксперименте было поставлено 5 серий опытов, в которых использовано 10800 семян рапса. Биологическая повторность 4-х кратная. После обработки в кавита-торе семена проращивали при температуре 20° С в течение 3-х дней.
В ходе проведенных экспериментов определялись следующие показатели прорастания семян: энергия прорастания (Е) и средняя длина (Ь) проростка. Для вышеуказанных показателей Е и Ь определялся биологический эффект (БЭ), являющийся по сути процентом к контролю и рассчитывающийся по формуле:
БЭ = ° - к\-юо % [17, с. 160],
где О — опытное значение; К — контрольное значение.
Обработку полученных данных проводили стандартными методами [17, с. 160]. Достоверность полученных результатов оценивали по критерию Стьюдента при 5%-м уровне значимости (Р = 0,05).
В первой серии экспериментальных исследований в качестве лабораторной установки был использован вихревой кавитатор, вокруг корпуса, которого размещен кожух, заполненный водой [18, с. 19]. В этом случае колебание давления в пучности корпуса распространялись не только в его внутреннее пространство, но и во внешнее, охватываемое кожухом (рис. 5).
Рис. 5. Внешний вид кавитатора Fig. 5. The appearance of the cavitator
Расходящиеся упругие волны создают меньшее, но щадящее воздействие на семена, что может быть компенсировано увеличением продолжительности экспозиции, поскольку некоторые виды воздействия (непосредственное схлопывание, ударные волны) в данном случае либо отсутствуют, либо проявляются в наименьшей степени.
Вторая серия экспериментальных исследований произведена в активной зоне кавитатора
(рис. 6). Семена в количестве 100 шт. загружались в решетчатый контейнер и помещались через узел уплотнения в область функционирования камертона, в область непосредственного протекания кави-тационных процессов.
Третий этап экспериментальных исследований заключался в сборе урожая, в определении физиологических и биохимических показателей семян (урожая первого года) рапса и анализа этих показателей.
Рис. 6. Размещение партии семян в активной зоне опытного устройства Fig. 6. The placement of the batch of seeds in the active zone of the experimental device
Результаты
Результаты первой серии исследований:
Рис. 7. Результаты первой серии исследований Figs. 7. The results of the first series of studies
Результаты второй серии исследований:
о4-
а о тз се
1; О
100 95 90 85 80 75 70
и ас
<и 65 *
8 бо
о
« 55 50
контр OJIb /
щ inspect ion lot
it= 4( У-2Г
-m-L it= 4: r. 21=
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 Время обработки семян рапса, ч / The processing time of rape seed, h
Рис. 8. Результаты второй серии исследований Figs. 8. The results of the second series of studies
Третья серия. Результаты влияния акустико-кавитационной обработки семян рапса на физиологические показатели семян первого урожая представлены в таблицах 1 и 2 соответственно.
Таблица 1. Влияние акустической кавитации на физиологические показатели семян рапса (урожай 1-го года) Table 1. The influence of acoustic cavitation on physiological indices of rapeseed (1 year harvest)
Вариант / Option Масса 1000 г семян / Mass of 1000 g of seeds Абсолютно сухое вещество / Dry substance, % Влага / Moisture, %
Температура / Temperature Время обработки, мин / Time processing, min Процент к контролю / The percentage to the control Процент к контролю / The percentage to the control Процент к контролю / The percentage to the control
Контроль / Inspection lot 4,8412±0,1452 - 93,38±2,80 - 6,62±0,20 -
40° 2 5,0456±0,1514 4,2±4,5 93,20±2,80 -0,2±4,2 6,80±0,20 2,7±4,4
40° 3 5,0708±0,1521 4,7±4,5* 94,10±2,82 0,8±4,3 5,90±0,18 -10,9±4,4*
40° 4 3,9720±0,1192 -18,0±4,4* 94,20±2,83 0,9±4,3 5,80±0,17 -12,4±4,3*
40° 5 4,8720±0,1462 0,6±4,3 92,78±2,78 -0,6±4,2 7,22±0,22 9,1±4,8*
47° 2 4,8633±0,1459 0,5±4,3 93,54±2,81 0,2±4,3 6,46±0,19 -2,4±4,2
47° 3 4,4590±0,1338 -7,9±4,3* 93,51±2,81 0,1±4,3 6,49±0,19 -2,0±4,2
47° 4 4,5083±0,1352 -6,9±4,3* 93,79±2,81 0,4±4,3 6,21±0,19 -6,2±4,4*
47° 5 4,2787±0,1284 -11,6±4,4* 93,27±2,80 -0,1±4,2 6,73±0,20 1,7±4,3
Данные достоверны при Р>0,95 / Data is reliable when Р>0,95
максимально выше контрольного значения / maximum above control values максимально ниже контрольного значения / as below the control values
Таблица 2. Влияние акустической кавитации на биохимические показатели семян рапса (урожай 1-го года) Table 2. The influence of acoustic cavitation on biochemical indices of rapeseed (1 year harvest)
Вариант / Option Азот / Nitrogen, % Белок / Protein , % Жир / Seed fat, % Фосфор / Phosphorus, %
Температура / Temperature Время обработки, мин / Time processing, min Процент к контролю / The percentage to the control Процент к контролю / The percentage to the control Процент к контролю / The percentage to the control Процент к контролю / The percentage to the control
Контроль / Inspection lot
40° 2
40° 3
40° 4
40° 5
47° 2
47° 3
47° 4
47° 5
3,70±0,11 3,14±0,09 3,80±0,11 3,74±0,11 3,74±0,11 3,93±0,12 3,87±0,12 3,74±0,11 3,38±0,10
-5,1±4,3*
2,7±4,3 1,1±4,2 1,1±4,2 6,2±4,6* 4,6±4,5* 1,1±4,2 -8,6±4,3*
Данные достоверны при Р>0,95 / Data is reliable when
21,03±0,63 17,90±0,54 21,66±0,65 21,32±0,64 21,32±0,64 22,40±0,67 21,89±0,66 21,32±0,64 19,27±0,58
-4,9±4,4*
3,0±4,4
1,4±4,3
1,4±4,3
6,5±4,6*
4,1±4,5
1,4±4,3
-8,4±4,3*
Р>0,95
40,73±1 38,92±1 46,23±1 42,13±1 39,31±1 41,60±1 40,77±1 41,01±1 41,44±1
22 -
17 -4,4±4,3* 39 13,5±4,9* 26 3,4±4,4
18 -3,5±4,4 25 2,1±4,4
22 0,1±4,2
23 0,7±4,3 ,24 1,7±4,3
0,799±0,024 0,919±0,028 0,996±0,030 0,743±0,022 1,007±0,030 0,989±0,030 0,953±0,029 0,999±0,030 0,675±0,020
15,0±5,1* 24,7±5,5* -7,0±4,3* 26,0±5,6* 23,8±5,5* 19,3±5,3* 25,0±5,6* -5,5±4,4*
Результаты влияния акустико-кавитационной обработки семян рапса на биохимические показатели семян первого года урожая представлены в таблице 2.
Обсуждение Результаты первой серии исследований показали:
• на всех режимах работы кавитатора для обоих показателей Е и Ь по аргументу продолжительность экспозиции т имеет место цикличность (рис. 7). При этом амплитуда превышает размеры доверительных интервалов, что говорит об объективности такой закономерности развития. Это об-
стоятельство связано с особенностями проявления иммунных качеств семян, что наблюдается и на других культурах, а также связано и с биоритмами развития (жизни) [19, с. 75].
• на исследованных ранее других культурах наблюдалась следующая закономерность:
- на низкотемпературных режимах наилучшие показатели достигались на больших экспозициях, (что имеет место и для рапса при 1=19 С), поскольку количество воздействия благоприятных факторов в данном случае обеспечивается за счет длительности воздействия;
- при переходе на более высокотемпературные режимы технологический процесс приобретает и негативные факторы, поэтому наилучшие показатели процесса смещаются на меньшие экспозиции т. В данном случае значение температуры определяет не только тепловой фактор, а ещё и количество циклов кавитационного воздействия на каждую частицу воды. Это количество, по всей видимости, имеет оптимальную величину, как для протекания самой кавитации, так и для свойств воды, приобретённых ей при этом.
Рапс по показателям длины ростков и по номиналам экстремумов и по их положению на аргументе экспозиция т также соответствует этой логике. Показатель энергии прорастания с повышением температурного режима по местоположению экстремума также аналогичен другим сельскохозяйственным культурам, а наибольшая величина максимума соответствует более высокому температурному режиму ^=45 С), что является его особым теплолюбивым свойством.
• до температурного режима 45 С негативные качества процесса компенсировались тепловым фактором БЭ^)=35 %, однако по мере дальнейшего повышения температурного режима тепловое воз-
Так растения, семена которых были обработаны на низкотемпературном режиме, имеют высоту, превышающую высоту контрольной партии на 30 %. Растения из семян более высокотемпературной обработки в начальной фазе имели задержки в росте (режим обработки 4 минуты), но впоследствии они развивались более активно, чем растения контрольной партии, и превышение показателей достигло 22 %.
При этом в обоих случаях обработки неблагоприятный режим соответствует экспозиции т = 4 минуты.
Более раннее пробуждение семян и более интенсивное развитие растений обуславливают большую площадь листвы у растений, а значит и более
действие становится негативным и при режиме t=50 °С показатели процесса кавитационной обработки становятся хуже контрольных значений, причем с ростом экспозиции в ещё большей степени (на рисунке не представлен).
Результаты второй серии исследований показали:
• всхожесть обработанных семян во всех (кроме одного) режимах преобладает над контролем и достигает в ряде случаев наибольших значений (87; 88; 99 %) (рис. 8);
• всхожесть более высокотемпературного режима М = 47-21 С уступает всхожести низкотемпературного режима М = 40-21 С, поскольку:
- с ростом температуры усиливается негативная совокупность факторов;
- чрезмерный перегрев 47 С приводит к началу процесса разрушения белка;
• по аргументу продолжительность экспозиции в одном случае также как и при щадящей обработке имеет место цикличность по показателю «всхожесть»;
• последующее развитие растений так же более интенсивно у обработанных семян (рис. 9).
обширное протекание фотосинтеза в наиболее благоприятный период года (по солнечной активности), причём и на более северных широтах.
Степень воздействия и количество функциональных факторов в случае обработки семян рапса в активной зоне кавитатора значительно выше, чем в пассивном варианте обработки, следовательно, время экспозиции снижается с нескольких часов до минут (не более пяти). Это обстоятельство дает возможность использовать обработку семян в производственном, индустриальном варианте.
Обработанные таким образом на кавитаторе семена рапса высаживались в открытый грунт биометров, заполненных чернозёмом (рис. 10).
At= 47-21=
К
а
и у г '-E
я <ц
х в
§ «t и и С
м. "Д "Ь
&g а
tt л V м а U
120 110 100 90 S0 70 60 50 40
\ ... jf
iff ~ контра inspectio T \ V,
nlot
m конт inspe po :tio к/
n lot
- - - сутс - ' day -»86 CVTOK days
1 2 3 4 5 Время обработки семян, (мин.) ' The processing time of seeds (mm.)
Рис. 9. Влияние обработки семян на интенсивность развития растений Fig. 9. The influence of seed treatment on the intensity of plant development
ЛОГ •• ■-.-¿ЯМГ:- - v .
Контроль / inspection lot At = 40-21 °С т = 3 min At = 40-21 °С т = 4 min At = 47-21 °С т = 2 min
Рис.10. Контроль роста растений рапса в биометрах Fig .10. Control of the growth of rape plants in biometric
Следовательно, результаты полупроизводственных полевых испытаний подтвердили основные результаты лабораторных исследований.
Третья серия исследований.
Анализ результатов физиологических исследований (табл' 1) показал:
- почти все семена по абсолютно сухому веществу превышают контроль кроме (1 = 40 С и т = 5 минут), что свидетельствует о неотрицательном влиянии акустико-кавитационной обработки;
- изменение по абсолютно сухому веществу у семян первого года урожая не превышают ±1 %. Это говорит о том, что каких-либо кардинальных видоизменений с растением после акустико-кавитационной обработки его семян не произошло;
- минимальные отличия по абсолютно сухому веществу сочетаются со значительными отличиями по общей массе и влаге семян, следовательно, семена по массовым показателям каркасной основы почти одинаковы, а их наполнение разное, и определяется видом обработки.
- наихудшие показатели по влажности и массе соответствуют экспозиции т = 4 минуты на обоих температурных режимах. Аналогичная закономерность проявилась и во время развития растений (т = 3,5-4,5 минуты) (рис. 9).
Числовые значения биохимических показателей (табл. 2) ещё раз подтверждают более интен-
сивное развитие растений (рис. 9), позволяют получить лучший биохимический состав семян из этих растений.
Следовательно, семена, обработанные на экспозициях т = 3; 5 минут на низкотемпературном режиме дали растения с урожаем, превышающим контроль:
- по азоту на 2,7 % и 1,1 % соответственно;
- по белку на 3 % и 1,4 % соответственно;
- по жиру на 13,5 % соответственно;
- по фосфору 24,7 % и 26 % соответственно.
На высокотемпературном режиме т = 2;
3 минуты:
- по азоту на 6,2 % и 4,6 % соответственно;
- по белку на 6,4 % и 4,1 % соответственно;
- по жиру на 2,1 % и 0,1 % соответственно;
- по фосфору на 23,8 % и 19,3 % соответственно, показатели первого года урожая выше показателей аналогичных семян, полученных из семян контрольной партии.
Основным достоинством результатов проведенной работы является обнаружение повышенного содержания жиров на режимах:
- 1 = 40°,т = 3 минуты - 13,5 %;
- 1 = 40°, т = 4 минуты - 3,4 %;
- 1 = 47°,т = 2 минуты - 2,1 %, что дает надежду на практике получить больший выход рапсового масла и тем самым повысить эффективность всего
технологического цикла его получения и тем самым снизить себестоимость, а потом в последствии может быть и стоимость самого топлива.
Заключение
Результаты выполненных работ показали, что:
1. На сегодняшний день появился ещё один инструмент, с помощью которого в определённых пределах можно повышать всхожесть семян и управлять интенсивностью развития растений.
2. Определилась вероятная тенденция между режимами обработки семян, интенсивностью развития растений, физиологическими и биохимиче-
скими показателями семян рапса следующего урожая.
3. Получен обнадёживающий результат по повышению содержания жиров - 13,5 % по отношению к контролю, что предполагает повышенный выход масла с использованием предлагаемого метода обработки семян.
4. С целью получения ещё большей жирности семян рапса, а также определения взаимосвязи режимов обработки, показателей роста растений и биохимических показателей работы по данному направлению целесообразно продолжить.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Иванов Е. Г. Предпосевная обработка семян на вихревом кавитаторе // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве: труды восьмой Международной научно-технической конференции 16-17 мая 2012 г. Москва, ГНУ ВИЭСХ. 2012. Ч. II. C. 53-59.
2. Кокорин Н. В., Иванов Е. Г. Вихревой кавитатор для воздействия на семена сельскохозяйственных культур // Инновационные разработки молодых ученых в сфере АПК: материалы Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, посвященной 85-летию ФГБОУ ВО Нижегородская ГСХА. Вестник Нижегородской ГСХА. Н. Новгород. 2015. С. 148-154.
3. Миниович И. Я. Гидродинамические источники звука. Л. : Судостроение. 1972. 478 с.
4. Захаров С. Д., Мосягина И. В. Кластерная структура воды (обзор). М. : Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН. 2011. С. 24.
5. МаргулисМ. А. Звукохимические реакции и сонолюминисценция. М. : Химия. 1986. 272 с.
6. Зенин С. В., Полануер Б. М., Тяглов Б. В. Экспериментальное доказательство наличия фракций воды // Гомеопатическая медицина и акупунктура. 1997. № 2. С. 42-46.
7. Агранат Б. А. Основы физики и техники ультрозвука. М. : Высшая школа. 1987. 352 с.
8. Намиот А. Ю. Растворимость газов в воде: справочное пособ. М. : Недра. 1991. 167 с.
9. Бреннец Ц. Динамика и податливость потока кавитационных пузырей // Теоретические основы инженерных расчётов: пер. с англ. М. : Мир. 1973. № 4. С. 97-131.
10. Вервейко Н. Д. Затухание головной волны гидроудара в линии переменного сечения // Изв. вузов. Серия Машиностр.1984. № 9. С. 70-73.
11. Хмелёва А. Н. Влияние ультразвукового облучения на ризогенную активность растительных объектов в присутствии регуляторов роста: автореф. дис. канд. биолог. наук: 03.00.16. Барнаул. 2009. 21 с.
12. Evgueniy G. Ivanov. Seed germination with use of acoustic-cavitation tehnologies // ENGINEERING FOR RUPAL DEVELOPMENT: 15 th International scientific conference May 25-27, 2016. Ielgava, Latvia. 2016. P. 278-284.
13. Иванов Е. Г., Денисюк Е. А., Носова И. А. и др. Систематика вихревых теплогенераторов // Совершенствование технико-эксплуатационных процессов и энергетических средств в сельском хозяйстве: сборник научных трудов НГСХА. Н. Новгород. 2007. С. 176-188.
14. Пат. 2045715 РФ, МКИ 6 F25 B 29/00 Теплогенератор и устройство для нагрева жидкостей. Ю. С. Потапов. № 93021742/06; заявлено 26.04.93; опубл. 10.10.95. Бюл. № 28. 5 с.
15. Дыскин Л. М. Использование вихревых труб в системах воздушного отопления // Проблемы теплоснабжения и вентиляции в условиях климата Восточной Сибири: Межвуз. сб. Иркутск.1977. С. 28-30.
16. Кокорин Н. В., Иванов Е. Г. Оценка влияния воздушной фазы на эффективность работы вихревого кавитатора // Вестник Нижегородской государственной сельскохозяйственной академии. Н. Новгород. 2013. Т. 3. С. 190-193.
17. Орлов Б. Н., Постнов И. Е. Современные эколого-биологические методы анализа внутренней и внешней среды организма. Н. Новгород, ДЕКОМ. 2010. С. 156-188.
18. Evgueniy G. Ivanov. Evolution of hydrodynamic cavitator // Mechanization in Agriculture. Issue 2/2015. Bulgaria. P. 17-21.
19. Орлов Б. Н., Авзалов Р. Х., Гущин П. Я., Чурмасов А. В., Казаков А. В. Биоритмы и электромагнитные колебания. М. : Капитал Принт. 2011. С. 66-98.
Дата поступления статьи в редакцию 21.12.2017, принята к публикации 23.01.2018.
64
Информация об авторах: Иванов Евгений Геннадьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология металлов и ремонт машин» Адрес: Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, 603107, Россия, Нижний Новгород, пр-т Гагарина, 97 E-mail: ivanov.e.g@mail.ru Spin-код: 5836-2145
Чавачина Елена Евгеньевна, магистрант
Адрес: Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, 603107, Россия, Нижний Новгород, пр-т Гагарина, 97 E-mail: chavachinaelena@yandex.ru Spin-код: 1857-6785
Гаврилова Анна Александровна, кандидат биологических наук, доцент кафедры «Физика и прикладная механика»
Адрес: Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, 603107, Россия, Нижний Новгород, пр-т Гагарина, 97 E-mail: anna-gavrilova-65@mail.ru Spin-код: 4833-0380
Кокорин Никита Владимирович, аспирант
Адрес: Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, 603107, Россия, Нижний Новгород, пр-т Гагарина, 97 E-mail: nikia_6500@mail.ru Spin-код: 2672-0320
Заявленный вклад авторов:
Иванов Евгений Геннадьевич: общее руководство проектом, проведение экспериментов, анализ полученных результатов и подготовка первоначальных выводов, подготовка текста статьи.
Чавачина Елена Евгеньевна: сбор и обработка материалов, подготовка первоначального варианта текста. Гаврилова Анна Александровна: обеспечение ресурсами, проведение экспериментов, критический анализ и доработка текста, представление данных в тексте.
Кокорин Никита Владимирович: проведение экспериментов, сбор и обработка материалов, анализ и дополнение текста статьи, верстка и форматирование работы.
Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
REFERENCES
1. Ivanov E. G. Predposevnaia obrabotka semian na vikhrevom kavitatore [Presowing treatment of seeds on the vortex cavitator], Energoobespechenie i energosberezhenie v sel'skom hoziaistve: trudy vos'moi Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentcii [Energy Supply and Energy Saving in Agriculture: Proceedings of the Eighth International Scientific and Technical Conference]. 16-17 May 2012. Moscow, GNU VIESKH. 2012. Ch. II. pp. 53-59.
2. Kokorin N. V. Vikhrevoi kavitator dlia vozdeistviia na semena sel'skohoziaistvennykh kultur [Vortex cavitator for impacts on seeds of agricultural crops], Innovatcionny'e razrabotki molody'kh ucheny'kh v sfere APK: materialy' Vserossii'skoi' nauchno-prakticheskoi' konferentcii molody'kh ucheny'kh, posviashchennoi' 85-letiiu FGBOU VO Nizhegorodskaia GSHA. Vestneyk Nizhegorodskoi' GSHA [Bulletin of the Nizhny Novgorod State Agricultural Academy], N. Novgorod. 2015. pp. 148-154.
3. Miniovich I. Ia. Gidrodinamicheskie istochniki zvuka [Hydrodynamic sources of sound]. L. : Sudostroenie. 1972.478 p.
4. Zaharov S. D., Mosiagina I. V. Clasternaia struktura vody' (obzor) [The cluster structure of water (review)]. Moscow: Fizicheskii' institut im. P. N. Lebedeva RAN. 2011. 24 p.
5. Margulis M. A. Zvukohimicheskie reaktcii i sonoliuminiscentciia [Zvyahilskyi reactions and sonolumines-cence]. Moscow, Himiia. 1986. 272 p.
6. Zenin S. V., Polanuer B. M., Tiaglov B. V. E'ksperimental'noe dokazatel'stvo nalichiia fraktcii' vody' [Experimental proof of the presence of fractions of water], Gomeopaticheskaia meditcina i akupunktura [Homeopathic medicine and acupuncture], 1997. No. 2. pp. 42-46.
BecmHUK НГHЭH. 2018. № 2 (81)
7. Agranat, B. A. Osnovy' fiziki i tekhniki ul'trozvuka [Basic physics and technology of ultrasound]. Moscow: Vy'sshaia shkola.1987. 352 p.
8. Namiot A. Iu. Rastvorimost' gazov v vode: spravochnoe posob [The solubility of gases in water: a reference guide]. Moscow, Nedra. 1991. 167 p.
9. Brennetc T. C. Dinahmika i podatlivost' potoka kavitatcionny'kh puzy'rei' [The dynamics and flexibility of flow cavitation bubbles], Teoreticheskie osnovy' inzhenerny'kh raschyotov [Theoretical foundations of engineering calculations], Moscow: Mir. 1973. No. 4. pp. 97-131. (In Russ.).
10. Vervei'ko N. D. Zatuhanie golovnoi' volny' gidroudara v linii peremennogo secheniia [The attenuation of the hydraulic shock wave in the alternating section line], Izv. vuzov. Seriia Mashinostr [Izv. universities. Series of Mechanical Engineering], 1984. No. 9. pp. 70-73.
11. Hmelyova A. N. Vliianie ul'trazvukovogo oblucheniia na rizogennuiu aktivnost' rastitel'ny'kh ob'ektov v prisutstvii reguliatorov rosta avtoref. dis. kand. biolog. nauk [The effect of ultrasonic irradiation on rhizogenou activity of vegetative objects in the presence of growth regulators Ph. D. (Biology) Thesis]. 03.00.16. Barnaul. 2009. 21 p.
12. Evgueniy G. Ivanov. Seed germination with use of acoustic-cavitation tehnologies // ENGINEERING FOR RUPAL DEVELOPMENT: 15 th International scientific conference May 25-27, 2016. Ielgava, Latvia. 2016. pp.278-284.
13. Ivanov E. G., Denisiuk E. A., Nosova I. A. i dr. Sistematika vikhrevy'kh teplogeneratorov [Systematics of vortex heat generators], Sovershenstvovanie tekhniko-e'kspluatatcionny'kh protcessov i e'ner-geticheskikh sredstv v seTskom hoziai'stve: sbornik nauchny'kh trudov NGSHA [Perfection of technical and operational processes and energy resources in agriculture: a collection of scientific papers of the State Agricultural Academy], N. Novgorod. 2007. pp.176-188.
14. Pat. 2045715 RF, MKI 6 F25 B 29/00 Teplogenerator i ustroi'stvo dlia nagreva zhidkostei' [Heat exchanger and a device for heating liquids], Iu. S. Potapov, No. 93021742/06, zaiavleno 26.04.93, opubl. 10.10.95. Biul. No. 28,
5 p.
15. Dy'skin L. M. Ispol'zovanie vikhrevy'kh trub v sistemakh vozdushnogo otopleniia [The use of vortex tubes in air heating systems], Problemy' teplosnabzheniia i ventiliatcii v usloviiakh climata Vostoch-noi' Sibiri: Mezhvuz. sb. [Problems of heat supply and ventilation in the climate of Eastern Siberia: Interuniversity. Sat], Irkutsk. 1977. pp.28-30.
16. Kokorin N. V., Ivanov E. G. Ocenka vliianiia vozdushnoi fazy na effektivnost' raboty vikhrevogo kavitatora [Evaluation of the effect of air phase on the efficiency of vortex cavitator], Vestneyk Nizhegorodskoi gosudarstvennoi seTskohoziaistvennoi akademii: materialy mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentcii [Bulletin of the Nizhny Novgorod State Agricultural Academy], N. Novgorod. 2013. Vol. 3. pp. 190-193.
17. Orlov B. N., Postnov I. E. Sovremennye ekologo-biologicheskie metody analiza vnutrennei i vneshnei sredy organizma [Modern ecological and biological methods of analysis of internal and external environment of the body]. Nizhnii Novgorod, DEKOM. 2010. pp. 156-188.
18. Evgueniy G. Ivanov. Evolution of hydrodynamic cavitator // Mechanization in Agriculture. Issue 2/2015. Bulgaria. pp. 17-21.
20. Orlov B. N., Avzalov R. KH., Gushchin P. Ia., Churmasov A. V., Kazakov A. V. Bioritmy' i e'lektromagnitny'e kolebaniia [Biorhythms and electromagnetic waves]. Moscow: Kapital Print. 2011. pp. 66-98.
Submitted 21.12.2017, revised 23.01.2018.
About the authors: Evgeniy G. Ivanov, Ph. D. (Engineering), associate professor of the chair «Technology of metals and repair of machines» Address: Nizhny Novgorod State Agricultural Academy, 603107, Russia, Nizhny Novgorod, Gagarin avenue, 97 E-mail: ivanov.e.g@mail.ru Spin-code: 5836-2145 Elena E. Chavachina, master
Address: Nizhny Novgorod State Agricultural Academy, 603107, Russia, Nizhny Novgorod, Gagarin avenue, 97 E-mail: chavachinaelena@yandex.ru Spin-code: 1857-6785
Anna A. Gavrilova, Ph. D. (Biology), associate professor of the chair «Physics and applied mechanics»
Address: Nizhny Novgorod State Agricultural Academy,
603107, Russia, Nizhny Novgorod, Gagarin avenue, 97
E-mail: anna-gavrilova-65@mail.ru
Spin-code: 4833-0380
Nikita V. Kokorin, postgraduate student
Address: Nizhny Novgorod State Agricultural Academy,
603107, Russia, Nizhny Novgorod, Gagarin avenue, 97
E-mail: nikia_6500@mail.ru
Spin-code: 2672-0320
Contribution of the authors:
Evgeniy G. Ivanov: managed the research project, implementation of experiments, analysed data and preparation of the initial ideas, writing of the draft.
Elena E. Chavachina: collection and processing of materials, preparation of the initial version of the text. Anna A. Gavrilova: provision of resources, implementation of experiments, critical analyzing and editing the text, presentation of the data in the text.
Nikita V. Kokorin: implementation of experiments, collection and processing of materials, analysing and supplementing the text, made the layout and the formatting of the article.
All authors have read and approved the final manuscript.
05.20.01 УДК 631.371
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛИНИЯХ ПРОИЗВОДСТВА САХАРНОЙ СВЕКЛЫ
© 2018
Борис Иванович Горбунов, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Механизация животноводства и электрификация сельского хозяйства» Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, Нижний Новгород, (Россия) Михаил Николаевич Денцов, кандидат технических наук, доцент кафедры «Механизация животноводства и электрификация сельского хозяйства» Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, Нижний Новгород, (Россия) Александр Владимирович Тюльнев, соискатель кафедры «Механизация животноводства и
электрификация сельского хозяйства Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, Нижний Новгород, (Россия)
Аннотация
Введение: в настоящее время важным критерием конкурентоспособности произведённой продукции является её энергоёмкость, которая зависит от оптимального использования технологических линий возделывания культуры. При возделывании энергоёмких культур, таких как сахарная свекла, кукуруза, картофель, зерновые и другие, использование энергоресурсосберегающих технологий обязательно, но в последние годы эффективность их использования стала заметно падать. Основанием этому послужило неправильное формирование энергетических средств, а также то, что дополнительное насыщение техногенной энергией стало не рационально без учета особенностей складывающихся условий сезона для каждой конкретной культуры и зоны возделывания.
Материалы и методы: объектом теоретических и экспериментальных исследований выступали технологические линии возделывания и уборки сахарной свеклы. При проведении экспериментальной части использовались стандартные методики и расчеты.
Результаты: в данной работе изложены теоретические исследования по повышению эффективности технологий производства сахарной свеклы за счет снижения энергетических затрат, при оптимальном использовании технических ресурсов в технологических линиях. Предложен алгоритм адаптации механизированных процессов возделывания и уборки сахарной свеклы к складывающимся природно-производственным условиям.
