Разработка СВЧ-установки для предпосевной обработки семян и сушки шишек хвойных пород деревьев

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка СВЧ-установки для предпосевной обработки семян и сушки шишек хвойных пород деревьев

Шахматов С.Н., Горелов М.В., Баранова М.П., Иванов А.Н. Российская Федерация, г.Красноярск, ФГБОУ ВО «Красноярский государственный аграрный университет»

Изготовленная в заводских условиях экспериментальная лабораторная установка СВЧ-модуль, в единичном экземпляре, подверглась контрольным и лабораторным испытаниям по воздействию электромагнитного поля сверхвысокой частоты на всхожесть семян сосны. В процессе лабораторных испытаний были оптимизированы параметры обработки (время и СВЧ мощность нагрева семян). Ключевые слова: СВЧ-установка, магнитное поле сверхвысокой частоты, мощность СВЧ-поля, экспериментальная установка, частота, семена хвойных пород,предпосевная обработка, микроэлементы, сушка шишек.

Ключевые слова: СВЧ-установка, магнитное поле сверхвысокой частоты, мощность СВЧ-поля, экспериментальная установка, частота, семена хвойных пород,предпосевная обработка, микроэлементы, сушка шишек.

В Российской Федерации Красноярский край является одим из ведущих лесных регионов. Площадь лесов составляет 20,3% от общего лесного фонда страны - это 164 млн га, с преобладанием деревьев хвойных пород (около 83%). Главными лесообразующими породами являются лиственница (43,7 млн га), береза (15,3 млн га), сосна (13,5 млн га), кедр (9,7 млн га). Регион обладает крупнейшими в стране лесосырьевыми ресурсами, которые составляют 14,5% общероссийского запаса леса, или 6% мировых запасов.

В Красноярском крае интенсивно проводятся вырубки основных лесообразующих пород региона, что ведет к освобождению огромных площадей, на которых требуется проведение лесовосстановительных работ.

Одним из важнейших условий получения здоровых сеянцев является предпосевная обработка семян, позволяющая защитить молодое растение от болезней и ускорить его рост. В настоящее время самым распространенным методом является протравливание семян химическими пестицидами. Но в свете экологических проблем необходим поиск методов, не оказывающих пагубного влияния на среду и на само растение.

Среди альтернативных методов предпосевной обработки семян, наиболее перспективной является обработка в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (далее ЭМП СВЧ), объединяющая тепловые и электрические процессы. Успешно применяется ЭМП СВЧ непрерывного генерирования для обеззараживания предварительно увлажненных семян зерновых культур от поверхностной инфекции.

Если использовать метод ЭМП СВЧ для обработки семян хвойных деревьев то данная система значительно сократит продолжительность технологического процесса при обеззараживании, стерилизации и сушке шишек. Данная технология позволяет снизить металлоёмкость на 10 - 15%, уменьшить удельный расход энергии на 25 - 40% и исключить применение ядохимикатов и пестицидов на этапе предпосевной обработки, увеличить энергию прорастания и приживаемость на 10 - 20% (по сравнению с обработкой химическими средствами и микроэлементами).

Целью работы является разработка комплексной системы экологически чистого электрофизического воздействия на семена хвойных пород деревьев при предпосевной обработке, которая позволит значительно сократить продолжительность технологического процесса путём обеззараживания семян.

Объектом исследования являлись процессы воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты на посевные качества семян хвойных пород деревьев. [4]

Результаты работы: В процессе работы были разработаны техническое задание, технические условия и комплект рабоче-конструкторской документации на изготовление экспериментальной установки СВЧ-модуля для предпосевной обработки семян хвойных пород деревьев.

На ФГУП «Красноярский опытный завод Россельхозакадемии» была изготовлена экспериментальная лабораторная установка СВЧ-модуль, со следующими техническими параметрами: Габаритные размеры СВЧ-модуля в собранном виде не более: высота-1600 мм., ширина 500 мм., длина 1800 мм; установленная мощность СВЧ модуля должна составлять 3,0 кВт; -установка должна обеспечивать регулирование мощности по 10% по возрастанию и убываниюмощности от 0,3 кВт до 3 кВт; производительность экспериментальной установки СВЧ-модуля в составе технологической линии для предпосевной обработки семян хвойных пород деревьев во всех режимах работы (кроме сушки) должна составить 0,055… 0,35 т/ч

При предпосевной обработки семян хвойных пород деревьев на экспериментальной установке СВЧ-модуля, входящего в состав технологической линии, увеличивается энергия прорастания и всхожесть семян, и приживаемость всходов: -увеличение всхожести семян до 92…95%; -100 % обеззараживание поверхности семян; при предпосевной обработке семян их нагрев их до температуры 36-65 оС в зависимости от технологического процесса осуществляется за время 120-280 с.(рис. 1) [2,3].

Установка подверглась контрольным и лабораторным испытаниям по воздействию электромагнитного поля сверхвысокой частоты на всхожесть семян сосны, оптимизированы параметры установки (время и мощность нагрева).

Для проведения исследований по определению эффективных режимов предпосевной обработки семян была разработана блок схема технологического процесса (рис. 2).

Вид сбоку Вид спереди

Рисунок 1- Внешний вид экспериментальной установки СВЧ-модуль для проведения предпосевной обработки семян хвойных пород деревьев

Для данной блок схемы было выбрано соответствующее технологическое и нестандартное оборудование, позволяющее определять параметры, которые необходимо измерять и контролировать с заданной точностью.

Экспериментальные модельные исследования были проведены с учетом правил моделирования. Все проводимые эксперименты проходили в следующей последовательности. Предварительно все семена замачивались в растворе микроэлементов в течении 20-30 мин.: сернокислого цинка (0,02 %), сернокислого кобальта (0,05 %), сернокислой меди (0,03 %), марганцовокислого калия (0,002 %) или смесью из марганцовокислого калия, борной кислоты, сернокислых меди, цинка и кобальта (по 0,002 % каждого). Затем семена разделяли на равные партии (по 100 шт.), которые последовательно обрабатывались в камере СВЧ-модуля. При проведении экспериментальных исследований был включен 1 магнетрон из 3 на выходе из рабочей камеры.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2 - Блок-схема проведения эксперимента: 1-СВЧ -модуль с регулируемым параметром мощности; 2-регулятор мощности; 3- влагомер «Фауна-М»; 4-термогигрометр «CENTER 310»; 5-увлажнитель

электромагнитный трансформатор хвойный предпосевной

Далее устанавливали максимальные параметры мощности (1кВт) и времени (180 с). Затем, согласно плана Бокса В-2 [5] изменяли параметры обработки (мощность шагом 30%, время 60 с). После каждого режима измеряли температуру (t0) обработанных семян. Для измерения температуры семян использовался термогигрометр CENTER 310. Термопара ХК, измеряла температуру семян начальную на входе в рабочую камеру и на выходе из рабочей ёмкости камеры. Влажность семян на входе определяли по прибору влагомер «Фауна-М».

Для изменения потребляемой мощности, тока и напряжения на входе силового трансформатора использовали измерительный комплекс К-505. Для изменения выходного напряжения от силового трансформатора в пределах (0,4-0,7-1) Uн применяли трехрежимный трехфазный переключатель.

В результате четырехкратно проведенных исследований были получены соответствующие экспериментальные данные (таблица 1.).

Зависимость качественных показателей семян от температурного воздействия имеет нелинейный характер.

Таблица 1 - Полученные экспериментальные данные

Предварительными исследованиями установлено, что на обработку семян оказывают влияние следующие факторы:

Мощность(x1) -- от 400 до 1000 Вт; экспозиция ? (x2) -- от 60 до 180 с;

Для выявления оптимальных параметров предпосевной обработки был выбран план Бокса В-2 [1]. Условия обработки по восьми режимам (кодированные) приведены в столбцах 2 и 3 таблицы 1., в столбцах 4, 5, 6 - результаты обработки Yi с троекратной повторностью каждого режима.

Методика активного планирования технологического эксперимента позволила получить уравнение регрессии, связывающее режимы воздействия на семена и показатели эффективности. Реализация матрицы плана Бокса позволила получить уравнения регрессии по данным исследованиям проведенных в лабораторных условиях.

Рисунок 3 - Зависимость мощности, температуры и времени нагрева семян

Рисунок 4 - Влияние параметров СВЧ - обработки на всхожесть семян

Показатели энергии прорастания и всхожести семян сосны приведены в таблице 2.

Таблица 2

Анализируя провиденные эксперименты (табл. 2.), можно сделать вывод, что опыты, имеющие жесткие режимы (максимальную мощность 1 кВт и максимальное время нагрева 3 мин.) губительно влияют на семена, температура их нагрева достигла 42-43С (рис. 3) , семена при этом частично сгорают, всхожесть составляет в среднем 81 % (рис. 4).

Понизив мощность обработки до минимума, а время оставив на прежнем уровне получаем температуру нагрева семян 33-35С (рис. 4.). При такой температуре всхожесть составляет в среднем 92 - 95 %. Можно предположить, что этот режим является наиболее оптимальным.Изучение реакции на воздействие различных режимов ЭМП СВЧ является экспериментальной основой для оценки этих режимов. В результате такого исследования выявилась полная картина всех эффектов (рис. 4). Представилась возможность сравнить значения температуры нагрева массы семян, при которых эти эффекты возникают, установить границы положительного эффекта. Все эти сведения необходимы для первичной оценки состояния всходов и их скорости появления в производственных условиях. Реализация матрицы плана позволила получить адекватные уравнения регрессии по лабораторной всхожести семян. Сопоставляя уравнения и графики зависимости по температуре и всхожести, отмечаем, что всхожесть находится в прямой зависимости от температуры.

Режимы, создающие температуру выше 40О С являются жесткими и сама температура губительна для семян. Однако ожидать эффект стимуляции или угнетения, ориентируясь только на температуру нагрева нельзя. Анализируя поверхность отклика, зависимости лабораторной всхожести от параметров СВЧ обработки, констатируем, что оптимальным режимом является режим с минимальным уровнем мощности 400 Вт и максимальным временем 3 мин. Жесткий режим является губительным для семян.Сравнивая данные полученные после обработки семян энергией ЭМП СВЧ с результатами рентгенографии, можно сделать вывод, что всхожесть семян увеличилась с 78,9 % до 92 %. [5].

Степень внедрения: заключен договор о научно-творческом сотрудничестве с ООО НПО «Сибирская звезда» на сушку шишек с доработкой СВЧ-установки при дополнительной установке тепловентилятора и вытяжного устройства и возможностью обработки семян хвойных пород деревьев. Результаты исследований внедряются в учебно-исследовательский процесс магистров ФГБОУ ВПО КрасГАУ института энергетики и УЭР АПК.

Области применения для предпосевной обработки семян хвойных пород деревьев на установке СВЧ-модуля относятся к основным направлениям подготовки семян к посеву в лесном и сельском хозяйстве.

Список литературы

1. Энергосберегающий метод подготовки семян хвойных пород деревьев к посеву/ В.В. Иванов, С.Н. Шахматов, А.Н. Иванов, П.П. Лемясов // Машинно-технологическое, энергетическое и сервисное обеспечение сельхозтоваропроизводителей Сибири: материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 100 летию со дня рождения акад. ВАСХНИЛ А.И. Селиванова (п. Краснообск, 9-11 июня 2008 г.)/ Россельхозакадемия. Сиб. Отд-ние. ГНУ СибИМЭ. - Новосибирск, 2008. - С. 296-301

2. Устройство для предпосевной и послеуборочной обработки семян: пат. 2498551 Российская Федерация МПК A01C1/00/ А.Н. Иванов, С.Н. Шахматов, П.П. Лемясов, Н.В. Цугленок, Г.И. Цугленок, А.А. Беляков. № 2012111630/ ;заявл. 04.04.2012; опубл. 20.10.2013. Бюл. No 32. 7 с.

3. Устройство для получения семян шишек хвойных культур и их предпосевной обработки: пат. 2495555 Российская Федерация, МПК A01C1/00/ А.Н. Иванов, С.Н. Шахматов, П.П. Лемясов, Н.В. Цугленок, Г.И. Цугленок, А.А. Беляков.; № 2012113233/; заявл. 04.04.2012; опубл. 20.10.2013, Бюл. No 29. 6 с.

4. Горелов М.В. Ресурсосберегающие технологии предпосевной обработки семян хвойных пород деревьев энергией электромагнитного поля СВЧ и КВЧ./ М.В. Горелов, С.Н. Шахматов Инновационные тенденции Российской науки: мат-лы Международной научно-практической конференции молодых ученых.: Краснояр.гос.аграрн.ун-т - Красноярск, 2013 - С 77.

5. Отчет о выполнении НИОКР по теме: "Разработка конструкторской документации (эскизный проект) и изготовление экспериментальной установки СВЧ-модуля в составе технологической линии для проведения предпосевной обработки семян хвойных пород деревьев".(контракт №12106р/22898 от 25.07.2013. Старт 2013 г.,Регистрационный №01201375887, г.Красноярск, КРИТБИ) с.93.

Размещено на Allbest.ur