Електромагнітні технології та системи обробки біооб’єктів рослинництва у захищеному грунті

Размещено на http://allbest.ru

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА ІМЕНІ ПЕТРА ВАСИЛЕНКА

УДК [628.16:621.318.3]:631.544

Автореферат дисертації на здобуття

наукового ступеня кандидата технічних наук

ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА СИСТЕМИ ОБРОБКИ БІООБ'ЄКТІВ РОСЛИННИЦТВА У ЗАХИЩЕНОМУ ҐРУНТІ

05.11.17 - біологічні та медичні прилади і системи

Коваленко Любов Рафаїлівна

Харків - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Таврійському державному агротехнологічному університеті Міністерства аграрної політики України, м. Мелітополь

Науковий керівник:

доктор технічних наук, доцент Мунтян Володимир Олексійович, Таврійський державний агротехнологічний університет, завідувач кафедри «Електропостачання сільського господарства».

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент Косуліна Наталія Геннадіївна, Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка, завідувач кафедри «Технотроніки і теоретичної електротехніки»;

кандидат технічних наук, доцент Берека Олег Миколайович, Національний університет біоресурсів і природокористування України, доцент кафедри «Електроприводу та електротехнологій».

Захист відбудеться « 02 » 04 2010 р. о _13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.832.01 у Харківському національному технічному університеті сільського господарства імені Петра Василенка за адресою: 61002, Україна, м. Харків, вул. Артема 44.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка за адресою: 61002, Україна, м. Харків, вул. Артема 44.

Автореферат розісланий «_23» _ 02 _ 2010р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої радиО. Д. Черенков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми: В межах продовольчої безпеки України поставлене завдання безперебійного забезпечення населення якісними овочами за доступною ціною. Важливу роль у забезпеченні овочами в несезонний період відіграє овочівництво захищеного ґрунту, яке є найбільш енергоємною галуззю сільського господарства. Енергетичні витрати складають до 55% від загальної кількості затрат на виробництво тепличної продукції.

Одним із напрямів підвищення інтенсифікації тепличного овочівництва є перехід до енергозберігаючих технологій виробництва.

У комплексі факторів енерго- та ресурсозбереження важливе місце відводиться гідропонним технологіям із використанням малооб'ємних субстратів, або на штучно створеному середовищі живлення, а також застосування автоматичних систем забезпечення заданих режимів мікроклімату і мінерального живлення та електротехнологій.

Для підвищення ефективності використання живильних розчинів, а як наслідок і мінеральних добрив, та для боротьби із зараженням розчинів патогенними бактеріями пропонується використовувати в гідропонних технологіях комбіновану електромагнітну обробку живильних розчинів.

Для успішного впровадження їх у виробництво необхідно встановити механізм дії електромагнітного поля на воду і розчини мінеральних добрив та на процес мінерального живлення рослин, визначити оптимальні режими обробки та конструктивні параметри відповідного обладнання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами: Робота виконувалася у відповідності до державної науково-технічної програми 3.12 «Енерго- та ресурсозберігаючі технології в сільськогосподарському виробництві», тематики міжвузівських наукових і науково-технічних програм щодо пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки (Наказ Міністерства Освіти України № 37 від 13.02. 96, п. 2) та Програми №1 науково-дослідних робіт Таврійської державної агротехнічної академії на 2001-2005 роки «Розробка наукових систем, технологій і технічних засобів для забезпечення продовольчої безпеки Південного регіону України» (підпрограма 1.14.5. «Розробка засобів підвищення надійності електропостачання та нових електротехнологій для забезпечення виробничих процесів в АПК», державний реєстраційний номер №0102U000688).

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є розробка установки й методики використання електричного та магнітного полів для активації поливальної води і живильних розчинів для підвищення продуктивності біооб'єктів рослинництва у захищеному ґрунті.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

– проаналізувати існуючі способи активації води та водних розчинів;

– дослідити вплив електричного та магнітного полів на зміну фізико-хімічних властивостей води і розчинів мінеральних добрив;

– обґрунтувати режими та конструктивні параметри установки для електромагнітної обробки води і розчинів мінеральних добрив;

– розробити дослідні зразки обладнання та провести їх випробування;

– експериментально дослідити вплив поливальної води та розчинів добрив, оброблених магнітним та електричним полями, на ріст і розвиток біооб'єктів рослинництва у захищеному ґрунті.

Об'єкт дослідження: Процес зміни електрофізичних параметрів поливальної води та розчинів мінеральних добрив під впливом фізичних факторів електричної та магнітної природи.

Предмет дослідження:Електромагнітні технології та системи обробки біооб'єктів рослинництва у захищеному ґрунті.

Методи дослідження: Теоретичні дослідження при електромагнітній обробці водних систем базуються на теорії зміни кінетики хімічних реакцій. Використовуючи рівняння Вант-Гоффа-Арреніуса, теорію зіткнення та перехідного стану, а також розглядаючи рух іонів у магнітному полі встановлювалася аналітична залежність рН та окислювально-відновного потенціалу розчину від характеристик електромагнітного поля та складу розчину. При цьому визначалися фактори, від яких залежить ефект електромагнітної обробки.

Використовувалися методи математичної статистики, теорії планування експерименту.

Експериментальне визначення параметрів режиму електромагнітної обробки проводилося за допомогою вимірювальних приладів і з використанням розроблених лабораторних установок.

Наукова новизна отриманих результатів: На основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень отримано наступні результати:

- отримало подальший розвиток дослідження впливу електрофізичних факторів на властивості води та водних розчинів;

- вперше встановлено залежність рН та окислювально-відновного потенціалу розчину від характеристик електричного та магнітного полів та складу розчину;

- вперше теоретично обґрунтовано параметри режиму для електричної та магнітної обробки води і розроблена методика розрахунків установки.

- дістало подальший розвиток вивчення впливу електромагнітної обробки поливної води на якісні показники біологічних об'єктів рослинництва у захищеному ґрунті.

Практичне значення одержаних результатів : На основі проведених досліджень обґрунтовані параметри режимів електромагнітної обробки, як води так і розчинів добрив, якими поливали ряд сортів овочевих культур. Розроблена технологія та установка для електричної та магнітної обробки поливальної води та розчинів мінеральних добрив для споруд захищеного ґрунту з гідропонною технологією вирощування рослин.

Метод та установка обробки поливальної води впроваджені у ПСП «Агрофірма Таврія» Бердянського району Запорізької області у спорудах захищеного ґрунту.

За результатами виробничої перевірки встановлено, що в теплицях скоротилися витрати електроенергії на 17…19%, мінеральних добрив на 15 %, води на 25…31%, урожайність овочевих культур підвищилася на 22 %.

Технічна новизна запропонованих розробок підтверджена Деклараційними патентами на корисну модель: № 15963 «Спосіб електромагнітної обробки поливальної води та розчинів мінеральних добрив»; №21225 «Пристрій для електромагнітної обробки поливної води та розчинів»; №29838 «Спосіб зменшення жорсткості поливальної води»; № 29838 «Пристрій для зменшення жорсткості поливальної води».

Особистий внесок здобувача: У наукових роботах, написаних у співавторстві внесок здобувача полягає в наступному:

1. Автором запропоновано спосіб та пристрій для електромагнітної обробки поливальної води та розчинів мінеральних добрив у спорудах захищеного ґрунту [1, 2, 8, 9].

2. В роботі [15] досліджені властивості води після магнітної обробки, проведені теоретичні дослідження зміни фізико-хімічних властивостей води, доведено що ефект магнітної обробки залежить від величини магнітної індукції, від числа перемагнічувань, від складу розчину (концентрації та композиції окремих іонів) та швидкості його руху.

3. У роботах [4, 6] наведено результати дослідження впливу поля коронного розряду на поливальну воду та розчини мінеральних добрив, які використовуються при вирощуванні овочів у спорудах захищеного ґрунту, досліджено процеси, які відбуваються при диспергуванні озону в воду.

4. В роботі [5] знайдено нові ефективні, щодо енергозбереження, електротехнології обробки поливальної води та живильних розчинів у спорудах захищеного ґрунту.

5. У роботах [3, 10-12] встановлено механізм дії електромагнітного поля на воду і розчини та на процес мінерального живлення рослин. Обґрунтовано теоретичні основи магнітної обробки поливальної води та живильних розчинів.

7. У роботах [7, 13] обґрунтовані основні параметри і розроблена методика розрахунку пристроїв із електромагнітами для обробки розчинів, наведена методика за якою виготовили апарат та провели його експериментальні дослідження.

8. Розроблено алгоритм та технічні засоби для керування режимами комбінованої обробки поливальної води та розчинів для умов захищеного ґрунту в роботі [14].

9. У роботах [12, 16] приведено дослідження впливу комбінованої обробки поливальної води на ріст та розвиток рослин, за результатами польового досліду підтверджено позитивний вплив обробки.

10. В роботі [17] наведені теоретичні та експериментальні дослідження зміни властивостей води після магнітної обробки та аналіз ефекту її впливу на якість овочів.

Апробація результатів дисертації: Основні положення та матеріали дисертації доповідалися та обговорювалися на: наукових конференціях професорсько-викладацького складу, наукових працівників і аспірантів Таврійської державної агротехнічної академії 2005-2007 років; 73-й Всеукраїнській науковій конференції молодих вчених, аспірантів та студентів «Наукові здобутки молоді - вирішенню проблем харчування людства у ХХІ столітті» (м. Київ, 2007); Міжнародній науково-технічній конференції «Землеробська механіка на рубежі сторіч» (м. Мелітополь, 2007); Міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України» (м. Харків, 2005); наукових міжкафедральних конференціях професорсько-викладацького складу, наукових працівників і аспірантів Таврійського державного агротехнологічного університету 2007- 2009рр.

Публікації: Основні положення дисертації викладено в 17 роботах, в тому числі 7 у науково-технічних збірках, 6 у науково-технічних журналах та 4 у патентах України на корисну модель.

Структура роботи :Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, додатків та списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації складає 162 сторінки друкованого тексту, із них - 124 сторінок основного тексту, а також 9 додатків на 24 сторінках. Список використаних джерел містить 147 найменувань на 14 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність напрямку дисертаційного дослідження, висвітлено зміст положень, які відображають новизну та її практичну цінність, сформульовано об'єкт, предмет, методи та мету досліджень, сформульовано задачі досліджень.

У першому розділі «Аналіз задач обробки поливальної води та живильних розчинів у теплицях» розглянуто основні технології вирощування овочів у спорудах захищеного ґрунту, зокрема, гідропонні технології вирощування овочів, на базі яких орієнтована розробка технології та установки для обробки поливальної води та розчинів мінеральних добрив. Розглянуто існуючі методи обробки води. Відмічено, що методи активації позитивно впливають на зміну властивостей води та живильних розчинів. Проведено дослідження існуючих методів активації. Встановлено, що електротехнологічні методи для обробки води є найбільш перспективними для впровадження у технологію вирощування овочів у спорудах захищеного ґрунту.

Здійснений аналіз існуючих апаратів для магнітної обробки води, приведено практику використання магнітної обробки води для поливу сільськогосподарських культур.

Зроблено висновок, про те що існуючі апарати із заданими технологічними параметрами не забезпечують необхідний рівень обробки води, так як не встановлені режими обробки, відсутня методика оцінки впливу магнітної обробки на воду та не забезпечується регулювання технологічних параметрів апаратів.

Проведені дослідження процесу обробки води полем коронного розряду, здійснений аналіз існуючих методів та пристроїв знезаражування води полем коронного розряду. Встановлена основна мета обробки в полі коронного розряду - знезаражування розчину та боротьба з кореневими хворобами.

Для підвищення ефективності протимікробної дії фізико-хімічних чинників необхідно підібрати додаткові впливи на воду, які могли б посилювати процеси озонування. Перспективним напрямком досліджень є застосування технологій комбінованої обробки поливальної води в магнітному полі та в полі коронного розряду.

В якості інформаційного параметру запропоновано використовувати величину рН, як показник, що характеризує розчин у цілому. З цією метою найдоцільніше використовувати потенціометричні методи вимірювання. Первинні вимірювальні перетворювачі, що застосовуються при даних методах, мають електричний вихідний сигнал, який дає можливість вести безперервні вимірювання, а проба не підлягає впливу електричних та магнітних полів, які можуть викликати зміну властивостей розчину.

З проведеного аналізу випливає, що для підвищення якості поливальної води необхідно розробити та обґрунтувати технологію та установку для електромагнітної обробки поливальної води та живильних розчинів, які забезпечують активацію води шляхом комбінованого впливу на неї магнітного поля та поля коронного розряду, контроль показників якості води, вибір оптимального режиму та управління процесом обробки.

На основі вищезазначеного, сформульовано мету та задачі дослідження.

У другому розділі «Теоретичні дослідження впливу електричних та магнітних полів на електрофізичні параметри води та водних розчинів» досліджені основні біофізичні закони, які діють при використанні магнітної обробки та обробки полем коронного розряду води і водних систем.

Проведені дослідження магнітної обробки поливної води, які складаються з дослідження механізму дії магнітного поля на водні системи і зміни властивостей води під впливом магнітного поля.

Теоретично досліджено механізм дії коронного розряду на воду, та зміни властивостей води під впливом коронного розряду. На основі досліджень зроблено висновок, що до недоліків відомих методів знезаражування води можна віднести те, що вони не передбачають контроль зміни властивостей води, що обробляється. Необхідно, щоб на основі отриманої інформації про зміну властивостей води змінювалась тривалість та потужність обробки.

Встановлено, що магнітна обробка водних розчинів впливає на кінетику хімічних реакцій, відповідно до виразу

,(1)

деС_і - концентрація речовини, моль/л;

v - швидкість хімічної реакції, моль/(л с);

t - час, с.

Швидкість хімічної реакції:

,(2)

деk - коефіцієнт швидкості хімічної реакції;

г_і - стехіометричні коефіцієнти реакції.

Згідно з рівнянням Вант-Гоффа-Арреніуса коефіцієнт швидкості хімічної реакції (коефіцієнт Вант-Гоффа) визначається за виразом:

, (3)

де k₀ - стала, яка залежить від природи речовин, що вступають в реакцію;

Е_а - енергія активації, Дж/моль;

R - універсальна газова стала, R = 8,314 Дж/(моль К) ;

Т - температура, К.

Також справедливим є вираз:

. (4)

Згідно з теорією зіткнення характеризує вигідну для реакції просторову орієнтацію взаємодії активних молекул і визначається як:

, (5)

де z - коефіцієнт пропорційності;

S_a - ентропія активації.

Згідно з теорією перехідного стану

,(6)

де ?S_o - ентропія активації,

k_Б - стала Больцмана;

h - стала Планка.

Величина рН розчину:

(7)

де - активність іонів водню;

f - коефіцієнт активності;

- концентрація іонів водню.

Так як зміна концентрації іонів водню , які утворюються при магнітній обробці розчину, пропорційна коефіцієнту швидкості реакції, то величина рН пропорційна десятковому логарифму коефіцієнта швидкості:

, (8)

де А₁ - коефіцієнт.

Тоді при сталій температурі розчину згідно (7) зміна величини рН:

, (9)

де - зміна енергії взаємодії.

Аналогічно для окислювально-відновлювальних потенціалів:

.(10)

При обробці води і розчинів солей в магнітному полі на іони діє сила Лоренца:

,(11)

де q - заряд іона; В - магнітна індукція;

u - швидкість руху іона; б - кут між напрямом поля і рухом іона.

При магнітній обробці розчинів внаслідок дії сили Лоренца змінюється саме нормальна складова швидкості:

,(12)

де - нормальна складова швидкості при дії магнітного поля;

- швидкість руху іонів в розчині;

- приріст швидкості руху іонів в розчині.

Приріст нормальної складової швидкості:

.(13)

Коефіцієнт А₃ залежить від виду іонів, які знаходяться в розчині, та від кількості перемагнічувань, так як реверс змінює орієнтацію іонів.

Отже, зміна величини рН при незмінній швидкості руху розчину:

, (14)

де а₁, а₂ - коефіцієнти.

У результаті теоретичних досліджень впливу магнітної обробки на воду та водні системи із використанням рівняння Вант-Гоффа-Ареніуса, теорії зіткнення та теорії перехідного стану, одержані аналітичні залежності рН та ОВП води і водних систем від характеристик магнітного поля та складу розчину.

Значення коефіцієнтів а₁, а₂ залежать від того, які іони знаходяться у розчині (яка їх маса, заряд, швидкість), а також від кількості перемагнічувань та градієнту магнітного поля. Їхні значення можна визначити лише дослідним шляхом при заданих режимах магнітної обробки розчину.

Аналогічно проведено дослідження зміни параметрів води та живильних розчинів у полі коронного розряду.

У результаті теоретичних досліджень впливу обробки в полі коронного розряду на воду та водні системи одержані аналітичні залежності рН та ОВП води та водних систем від параметрів поля коронного розряду.

Зміни рН та ОВП водних систем при їх обробці в полі коронного розряду визначаються напруженістю електричного поля, часом обробки та хімічним складом розчину, які прямопропорційні квадрату прикладеної напруги й оберненопропорційні квадрату відстані від коронуючого електрода до площини і змінюються в часі за експоненціальним законом. Деякі коефіцієнти в отриманих залежностях аналітично визначити неможливо, що вимагає проведення експериментальних досліджень.

У третьому розділі «Експериментальні дослідження впливу електричного та магнітного полів на електрофізичні параметри води та розчинів мінеральних добрив» для експериментальних досліджень була розроблена дослідна установка для обробки води, яка складається із апарата магнітної обробки води й апарата обробки води полем коронного розряду.

Установка повинна забезпечувати наступні параметри: магнітну індукцію В = 0,04…0,2 Тл; число перемагнічувань n = 3…8; швидкість руху води (розчину) v = 0,5…1м/c.

Експериментальні дослідження зміни параметрів води та розчинів у магнітному полі проводились наступним чином: воду і розчини пропускали через магнітне поле, що створювалося індукторами; температура води і розчинів мінеральних добрив підтримувалися постійною +20 єС; швидкість руху через апарат магнітної обробки становила 1 м/с, що відповідає технологічним вимогам при вирощуванні рослин у теплицях; концентрація мінеральних добрив у розчинах становила 0,5 г/л і 1 г/л; магнітну індукцію вимірювали тесла метром; рН та ОВП розчинів, до апарата магнітної обробки та після нього, вимірювали рН-метром И-160М . За різницею показів приладу оцінювали ефект обробки.

Установка для обробки води полем коронного розряду повинна забезпечувати: напругу на коронуючих електродах у межах U = 10…20 кВ; струм І 10 мА; швидкість руху води (розчину) v = 0,5…1 м/c; відстань між електродами 1…4 см.

За даними експерименту побудовані відповідні залежності. Залежність зміни рН води (рН) при її магнітній обробці від магнітної індукції (В) та кількості перемагнічувань (n) - 1, 3 , 5 (рис. 3), а ОВП - рис. 4. При збільшенні магнітної індукції до її оптимального значення рН води зростає, а ОВП зменшується. Подальше збільшення магнітної індукції призводить до зменшення рН і росту ОВП. Оптимальне значення магнітної індукції залежить від джерела води і для регіону Мелітопольського району складає 100..110 мТл.

З метою дослідження механізму впливу магнітної обробки водних систем на їх структуру і властивості, в залежності від їх хімічного складу, було проведено ряд додаткових експериментальних досліджень деяких солей (калію сірчанокислого, магнію сірчанокислого, аміачної, кальцієвої та калійної селітри).

Оптимальне значення магнітної індукції для даних розчинів неістотно відрізняються від її значення для води, з якої вони приготовлені. Зміна рН досягає 0,1…0,3 одиниці й істотніше при магнітній обробці розчинів, які мають вищий рН.

Ефект магнітної обробки залежить від хімічного складу розчину, тобто концентрації і композиції іонів. У розчинах, які містять іони - стабілізатори структури води (Са²⁺, Мq²⁺, SO₄^2-), він помітніший, у відношенні до розчинів з іонами, які “розрихлюють” біля себе структуру води (K⁺, NO₃^-).

Збільшення числа перемагнічувань підсилює ефект обробки. Достатнім можна вважати трикратне перемагнічування, так як його подальше зростання не істотно підсилює ефект магнітної обробки, але при цьому зростають габарити установки.

Зменшення градієнта магнітного поля, тобто збільшення відстані між індукторами, послаблює ефект магнітної обробки. Це необхідно враховувати при проектуванні магнітних апаратів.

Проведені експериментальні дослідження зміни рН та ОВП води, розчинів солей і мінеральних добрив підтверджують достовірність отриманих теоретичних залежностей (розділі 2) і дали можливість визначити коефіцієнти а₁, а₂ методом найменших квадратів.

Експериментальні дослідження зміни параметрів води та розчинів мінеральних добрив при їх обробці в полі коронного розряду проводилися на розробленій лабораторній установці (рис.2).

Обробка води і розчинів добрив проводилися полем коронного розряду. Концентрація солей у розчинах складала 1,0 г/л. Напруженість електричного поля змінювалася шляхом зміни підведеної напруги, градієнт електричного поля - шляхом зміни відстані між електродами. Температура та швидкість руху води і розчинів підтримувалися протягом дослідів постійною у відповідності з їхніми значеннями при вирощуванні рослин у теплицях (відповідно 25⁰С та 1 м/с). Відстань між коронуючими електродами і площиною складала 3 см і 6 см, відстань між електродами - 5 см, а час обробки - 1, 2 і 3 хв. Напруга вимірювалася вольтметром, а параметри води і розчинів мінеральних добрив - іономіром И-160М до обробки та після неї.

Досліди виконувалися у трикратній повторності. Їх відтворюваність перевірялася за критерієм Кохрена. Коефіцієнти в рівняннях регресії визначалися за експериментальними даними методом найменших квадратів за відомою методикою, адекватність отриманих математичних моделей перевірялася за критерієм Фішера при 5%-ному рівні значущості.

Досліджено зміна рН води при її обробці полем коронного розряду протягом 1, 2 і 3 хвилин (відстань між коронуючим електродом і площиною 3 см).

Збільшення напруги і часу обробки призводить до зростання рН води, а ОВП при цьому зменшується. Збільшення відстані між коронуючим електродом і площиною призводить до зменшення ефекту електричної обробки води при незмінній напрузі, тобто збільшення відстані між коронуючим електродом і площиною вимагає підвищення напруги, щоб отримати такі ж зміни рН та окислювально-відновлювального потенціалу (ОВП), як і при менших відстанях між електродом і площиною

При дослідженні комбінованого впливу електричної та магнітної обробки водних розчинів на зміну їх параметрів воду і розчини мінеральних добрив попередньо пропускали через установку для магнітної обробки розчинів, а потім через установку коронного розряду.

Обробка магнітоактивованої води полем коронного розряду посилює ефект обробки. При цьому встановлено, що зміна рН води приблизно дорівнює сумі зміни цих величин при магнітній і електричній обробках, проведених окремо.

Проведені дослідження дають можливість визначити конструктивні параметри апаратів та режими обробки води і розчинів мінеральних добрив для живлення рослин при використанні гідропонних технологій у спорудах захищеного ґрунту.

Пріоритетність запропонованих технічних рішень захищена патентами України на корисну модель [1, 2, 8, 9].

Дослідження впливу комбінованої обробки поливальної води на ріст та розвиток рослин (підрозділ 3.5) проводилися у відповідності з методикою польового досліду. Досліди проводилися у споруді захищеного ґрунту, що обладнана краплинною системою поливу.

Із проведених досліджень можна стверджувати, що магнітна обробка поливної води позитивно впливає на ріст і розвиток рослин. При поливанні овочів водою обробленою в магнітному полі спостерігалося більш раннє цвітіння та плодоношення (на 1-2 дні). Підвищилась урожайність овочевих культур. Урожайність огірків при існуючій технології вирощування склала 27,1 кг/м², а при магнітній обробці (окремо) поливної води - 31,1 кг/м², тобто підвищилася на 14,7 %. При обробці поливної води в полі коронного розряду урожайність огірків склала 30,7 кг/м², а магнітоактивованої води, обробленої в полі коронного розряду - 32,05 кг/м², тобто підвищилася відповідно на 14,7 % і 21,2 %.

Таким чином, на основі проведених досліджень можна зробити висновок, що обробка поливної води при комбінованому електрофізичному впливі дає найкращі результати і позитивно впливає на ріст і розвиток рослин. При цьому спостерігається більш раннє цвітіння і плодоношення, збільшується біомаса рослин, а найголовніше підвищується урожайність культур.

Результати польових дослідів підтверджують правильність встановленого режиму обробки поливної води. У магнітному полі: регулювання напруги в межах від 0 до 36 В, магнітної індукції від 0 до 200 мТл, з трикратним перемагнічуванням. Полем коронного розряду: напруга 20 кВ, відстань між коронуючим електродом і площиною 3 см, між електродами - 5 см, час обробки - 1- 2 хв.

У четвертому розділі «Розробка установки для комбінованої обробки поливальної води та живильних розчинів у теплицях» обґрунтовано параметри установки для комбінованої обробки води та живильних розчинів, розроблена методика розрахунку апарату для магнітної обробки розчинів із електромагнітами, розроблена методика розрахунку установки обробки водних розчинів у полі коронного розряду. За наведеною методикою проведено розрахунок конструктивних параметрів і виготовлена установка для обробки води та живильних розчинів у магнітному полі й у полі коронного розряду.

При дослідженні режимів роботи установки для магнітної обробки води і розчинів мінеральних добрив встановлена залежність магнітної індукції від струму в індукторі та її зміна вздовж осі труби. Залежність магнітної індукції в повітряному зазорі від струму індуктора наведена на рис.8. Початкову ділянку даної кривої, яка відповідає робочій області магнітних індукцій , можна вважати прямолінійною:

.(15)

При подальшому збільшенні струму дана залежність стає нелінійною внаслідок насичення магнітної системи. Також проведено дослідження установки для обробки поливної води та живильних розчинів у полі коронного розряду. За результатами досліджень отримана вольт-амперна характеристика (рис.10), яка описується рівнянням:

,(16)

де - струм коронного розряду, мкА;

- напруга коронного розряду, кВ;

- коефіцієнти, a = 381,73; b = -78,20; c = 3,92.

З отриманої вольт-амперної характеристики випливає, що коронний розряд в установці виникає при напрузі = 8,0 кВ, а оптимальний струм (120 мкА) відповідає напрузі 15,5 кВ. Таким чином можна зробити висновок, що джерело живлення установки повинно забезпечити наступні параметри: = 16 кВ, 150 мкА.

У п'ятому розділі «Техніко-економічна ефективність використання установки для комбінованої обробки поливальної води і живильних розчинів у теплицях» наведено результати виробничої перевірки. Визначені показники якості роботи розроблених пристроїв, проведена перевірка експлуатаційної надійності, а також виконано техніко-економічне обґрунтування запропонованих електротехнологічних методів обробки поливальної води і розчинів мінеральних добрив.

Розроблені алгоритми, технічні засоби і способи впроваджені у спорудах захищеного ґрунту ПСП «Агрофірма Таврія» Бердянського району Запорізької області. Економічна ефективність підтверджується актами впровадження.

У результаті виробничої перевірки встановлено, що запропоновані електротехнологічні методи вирощування овочів у спорудах захищеного ґрунту на малооб'ємній гідропоніці порівняно з існуючими технологіями дають можливість збільшити урожайність на 22 %, зменшити вміст нітратів в овочах на 13 %, скоротити витрати електроенергії на 15…17%, мінеральних добрив - 12…15 %, значно скоротити витрати поливальної води на 25…31% та зменшити трудовитрати на стерилізацію поживного середовища, що потребує значних затрат праці та часу, після кожного сівозміну. Ефект знезаражування розчину при використанні комбінованого методу обробки становить 85…90%.

Впровадження установки для електромагнітної обробки води та живильних розчинів у технологічний процес теплиць з малооб'ємною гідропонікою дозволяє отримати додатковий річний прибуток у розмірі 169 тис. грн. при вирощуванні огірків на площі 1000 м². Термін окупності додаткових капіталовкладень становить до одного року.

В період експлуатації електрообладнання показало високу експлуатаційну надійність. При цьому відмов та хибних спрацювань не спостерігалося.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

1. З метою покращення режиму живлення біооб'єктів рослинництва, скорочення витрат мінеральних добрив і води та збільшення строку використання живильного розчину в спорудах захищеного ґрунту необхідно впроваджувати нові електротехнології обробки води та живильних розчинів.

2. Для активації та знезаражування поливальної води та живильних розчинів необхідно застосовувати метод і установку їх комбінованої обробки магнітним полем та полем коронного розряду.

3. Для розрахунку режимів магнітної обробки та конструктивних параметрів установки одержані аналітичні залежності рН та ОВП води і водних розчинів від складу розчину та характеристик магнітного поля. Зміна рН та ОВП прямо пропорційні квадрату магнітної індукції і залежать від числа перемагнічувань, градієнта магнітного поля, складу розчину та швидкості його руху.

4. Для розрахунку режимів обробки полем коронного розряду та конструктивних параметрів установки одержані аналітичні залежності рН та ОВП води і водних розчинів від складу розчину та параметрів електричного поля. Зміна рН та ОВП прямо пропорційні квадрату прикладеної напруги і обернено пропорційні квадрату відстані між коронуючим електродом та площиною води, що обробляється.

5. У результаті експериментальних досліджень встановлено наступні параметри режиму обробки води та водних розчинів у магнітному полі: трикратне перемагнічування; магнітна індукція 0,1…0,11 Тл; швидкість руху розчину 0,5…1,0 м/с. Ефект магнітної обробки із плином часу зменшується за експоненціальним законом.

6. Встановлено параметри режиму обробки води полем коронного розряду: напруга 15,5 10³ В; відстань між електродами - 5 10^-2 м; відстань між коронуючим електродом і площиною рідини - 3 10^-2 м; час обробки - 1 хв.

7. При послідовній обробці води та водних розчинів магнітним полем та електричним полем коронного розряду ефект обробки значно посилюється. При цьому зміна рН води приблизно дорівнює сумі зміни цих величин при магнітній і електричній обробках, проведених окремо.

8. Для обробки води та живильних розчинів у магнітному полі розраховані конструктивні параметри установки, яка складається з трьох індукторів сумарною потужністю 84 Вт. Величина магнітної індукції змінюється від 0 до 0,2 Тл шляхом регулювання підведеної напруги постійного струму в діапазоні 0…36 В. Для забезпечення трикратного перемагнічування розчину котушки індукторів вмикаються зустрічно.

9. Для обробки води та розчинів полем коронного розряду розраховані конструктивні параметри установки, яка складається з системи коронуючих електродів та площинного електроду. Відстань між коронуючими електродами 5•10^-2 м, між коронуючими електродами і площиною рідини - (2…5)•10^-2 м, коронний розряд виникає при напрузі = 8,010³ В, оптимальний робочий струм (12010^-6 А) відповідає напрузі 15,5 10³ В.

10. Використання методу та установки електромагнітної обробки поливальної води в спорудах захищеного ґрунту дозволяє скоротити витрати електроенергії на 17…19%, мінеральних добрив на 12…15 %, води на 25…31%, зменшити трудовитрати на знезараження живильних розчинів, підвищити урожайність овочевих культур на 22 % та зменшити вміст нітратів в овочах на 13 %.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Пат. 15963 Україна, МПК С 02 F 1/48. Спосіб електромагнітної обробки поливальної води та розчинів мінеральних добрив / Л.Р. Коваленко, В.О. Мунтян, О.І. Коваленко, А.В. Макаренко (Україна). - № 2006013664; заявл. 10.02.06; опубл. 17.07.06. Бюл. №7. - 6 c.

2. Пат. 21225 Україна, МПК С 02 F 1/48. Пристрій для електромагнітної обробки поливальної води та розчинів / Л.Р. Коваленко, В.О. Мунтян, О.І. Коваленко, (Україна). - №200606887; заявл. 19.06.06; опубл. 15.03.07. Бюл. № 3. - 6 c.

3. Коваленко Л.Р. Теоретичні основи магнітної обробки поливної води та живильних розчинів для теплиць / О.Ю. Синявський, Л.Р. Коваленко // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь: ТДАТА, 2005. - Вип. 32. - С. 133-138.

4. Коваленко Л.Р. Дослідження процесу обробки поливної води та живильних розчинів в полі коронного розряду /Л.Р. Коваленко, О.Ю.Синявський, В.О. Мунтян // Праці Харківського державного технічного університету сільського господарства. - Харків: ХДТУСГ, 2006. - Вип. 37, Т.2. - С. 308-312.

5. Коваленко Л.Р. Енергозберігаючі технології обробки поливної води та живильних розчинів у теплицях / О.І.Коваленко, Л.Р.Коваленко // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь: ТДАТА, 2005. - Вип. 33. - С. 107-113.

6. Коваленко Л.Р. Методика розрахунку параметрів установки для обробки поливної води та живильних розчинів в полі коронного розряду / Л.Р. Коваленко, В.О. Мунтян, О.І. Коваленко // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь: ТДАТА, 2006. - Вип. 35. - С. 9-13.

7. Коваленко Л.Р. Удосконалення способу електромагнітної обробки поливальної води / Л.Р. Коваленко // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь: ТДАТА, 2006. - Вип. 43. - С. 142-147.

8. Пат. 24995 Україна, МПК С 02 F 1/48. Спосіб зменшення жорсткості поливальної води. Коваленко Л.Р., Коваленко О.І., Хромишев Є.В. (Україна). - № 2007010874; заявл. 11.03.07; опубл. 25.07.2007. Бюл. № 11. - 6 с.

9.Пат. 29838 Україна, МПК С 02 F 1/48. Пристрій для зменшення жорсткості поливальної води та розчинів. Коваленко Л.Р., Мунтян В.О., Коваленко О.І. (Україна). - № 2007015678; заявл. 15.10.07; опубл. 25.01.2008, Бюл. № 2. - 4 с.

10. Коваленко Л.Р. Обґрунтування параметрів та методика розрахунків установки для електромагнітної обробки поливальної води та розчинів / Л.Р. Коваленко, В.О. Мунтян // Общегосударственный научно-производственный и информационный журнал. Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. - 2007. - №6. - С. 23-28.

11. Коваленко Л.Р. Спосіб та пристрій для електромагнітної обробки поливної води та розчинів мінеральних добрив у теплицях / Л.Р. Коваленко, В.О. Мунтян // Общегосударственный научно-производственный и информационный журнал. Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. - 2007. - №7. - С. 11- 15.

12. Коваленко Л.Р. Електромагнітне оброблення поливної води та розчинів мінеральних добрив у теплицях / Л.Р. Коваленко, В.А. Дідур, В.О. Мунтян // Праці Інституту електродинаміки Національної академій наук України. Збірник наукових праць ІЕД НАНУ. - К: ІЕД НАНУ, 2007. - Вип. 18. - C. 132 - 136.

13. Коваленко Л.Р. Розрахунок параметрів установки для комбінованої обробки живильних розчинів / Л.Р. Коваленко, В.О.Мунтян // Общегосударственный научно-производственный и информационный журнал. Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. - 2008. - №7. - С. 11- 15.

14. Коваленко Л.Р. Дослідження впливу комбінованої обробки поливної води на ріст та розвиток рослин / Л.Р. Коваленко, О.І. Коваленко // Праці Таврійського державного агротехнологічного університету. - Мелітополь: ТДАТУ, 2008. - Вип. 8. - С. 109-115.

15. Коваленко Л.Р. Дослідження властивостей води після магнітної обробки / Л.Р.Коваленко, В.О.Мунтян // Вісник Львівського національного аграрного університету Агроінженерні дослідження. - Львів, 2008. - Т.2, №12. - С. 602-610.

16. Коваленко Л.Р. Дослідження електрофізичного впливу обробки поливної води і розчинів на ріст та розвиток рослин / Л.Р.Коваленко, О.І.Коваленко // Міжнародний науково-технічний журнал. Світлотехніка та електроенергетика. - Харків, - 2009. - №2 (18). - С. 50-55.

17. Коваленко Л.Р. Аналіз ефекту впливу електромагнітної обробки поливальної води та розчинів на якість рослин захищеного ґрунту / Л.Р. Коваленко, В.О. Мунтян, О.І. Коваленко // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка. «Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України». - Х: ХНТУСГ, 2009. - Вип.86 - С.141-144.

АНОТАЦІЯ

Коваленко Любов Рафаїлівна. Електромагнітні технології та системи обробки біооб'єктів рослинництва у захищеному ґрунті. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.17 - біологічні та медичні прилади і системи. - Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка. Харків, 2010 р.

Вперше досліджені зміни параметрів поливальної води і живильних розчинів при магнітній обробці та в полі коронного розряду.

Встановлена аналітична залежність рН та ОВП розчину від характеристик електромагнітного поля та складу розчину.

Запропоновано спосіб та пристрій для електромагнітної обробки поливальної води та розчинів мінеральних добрив у спорудах захищеного ґрунту, що дозволило значно підвищити ефективність використання добрив, покращити режим мінерального живлення рослин, здійснювати знезаражування розчину.

Обґрунтовано параметри установки для електромагнітної обробки і розроблена методика її розрахунків.

Пріоритетність цих технічних рішень захищена патентами України на корисну модель. гідропонний електромагнітний живильний розчин

Обґрунтовані й визначені параметри режимів електромагнітної обробки, як води так і розчинів мінеральних добрив, якими поливали ряд сортів овочевих культур.

Розроблені алгоритми та технічні засоби для впровадження в систему полива електромагнітну обробку в теплицях з гідропонною технологією вирощування та в спорудах захищеного ґрунту.

Здійснено технічну реалізацію запропонованого методу.

Використання пристрою дозволяє збільшити врожайність культур, покращити якість продукції, скоротити витрати добрив і води за рахунок регулювання складу розчину, а також забезпечує знезаражування і підвищення строку використання розчину, підвищує строк використання систем поливу, впроваджено його у виробництво.

Ключові слова: гідропонні технології, біологічні об'єкти, магнітна обробка, коронний розряд, ефект знезаражування.

АННОТАЦИЯ

Коваленко Любовь Рафаиловна. Электромагнитные технологии и системы обработки биообъектов растениеводства защищенного грунта. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.17 - биологические и медицинские устройства и системы. - Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко. Харьков, 2010 г.

Впервые исследованы изменения параметров поливной воды и питательных растворов при магнитной обработке и обработке в поле коронного разряда.

Установлена аналитическая зависимость рН и окислительно-восстановительного потенциала раствора (ОВП) от характеристик электромагнитного поля и состава раствора.

Предложен способ и устройство для электромагнитной обработки поливной воды и растворов минеральных удобрений в сооружениях защищенного грунта, что позволило повысить эффективность использования удобрений, улучшить режим минерального питания растений, осуществлять обеззараживание раствора.

Обоснованы параметры установки для электромагнитной обработки и разработана методика расчета.

Приоритетность технических решений защищена патентами Украины на полезную модель.

Обоснованы и выбраны параметры режимов электромагнитной обработки, как воды так и растворов минеральных удобрений, которыми поливали ряд сортов овощных культур, разработаны алгоритмы и технические средства для внедрения в систему полива, внедрена электромагнитная обработка в теплице с гидропонной технологией выращивания и в защищенном грунте.

В результате экспериментальных исследований установлены параметры режима обработки воды и водных растворов в магнитном поле: трехкратное перемагничивание; магнитная индукция 0,1…0,11 Тл; скорость движения раствора 0,5…1,0 м/с. Эффект магнитной обработки с течением времени уменьшается за экспоненциальным законом. Установлены параметры режима обработки воды полем коронного разряда: напряжение 15,5 10³ В; расстояние между электродами - 5 10^-2 м; расстояние между коронующим электродом и плоскостью жидкости - 3 10^-2 м; время обработки - 1 минута.

Для обработки воды и питательных растворов в магнитном поле рассчитаны конструктивные параметры установки, которая состоит из трех индукторов суммарной мощностью 84 Вт.

Величина магнитной индукции изменяется от 0 до 0,2 Тл путем регулирования подведенного напряжения постоянного тока в диапазоне 0…36 В. Для обеспечения трехкратного перемагничивания раствора катушки индукторов включаются встречно. Для обработки воды и растворов полем коронного разряда рассчитаны конструктивные параметры установки, которая состоит из системы коронующих электродов и плоскостного электрода. Расстояние между коронующими электродами 510^-2 м, между коронующими электродами и плоскостью жидкости - (2,5)10^-2 м, коронный разряд, возникает при напряжении = 8,010³ В, оптимальный рабочий ток (120 10^-6 А) при напряжении = 15,510³В.

Использование метода и установки электромагнитной обработки поливной воды в теплицах позволяет сократить расходы электроэнергии на 17...19%, минеральных удобрений на 12…15 %, воды на 25…31%, уменьшить трудозатраты на обеззараживание питательных растворов, повысить урожайность овощных культур на 22 % и уменьшить содержание нитратов в овощах на 13 %.

Осуществлена техническая реализация предложенного метода и установки в ЧСП «Агрофирма Таврия» Бердянского района Запорожской области в тепличных отделениях закрытого грунта, использование устройства позволяет увеличить урожайность культур, улучшить качество продукции, сократить расходы удобрений и воды за счет регуляции состава раствора, а также обеспечивает обеззараживание и повышение срока использования раствора.

Внедрение установки для электромагнитной обработки воды и питательных растворов в технологический процесс теплиц с малообъемной гидропоникой позволяет получить дополнительный годовой доход в размере 169 тыс. грн. при выращивании огурцов на площади 1000 м². Срок окупаемости дополнительных капиталовложений составляет до одного года.

Ключевые слова: гидропонные технологии, биологические объекты, магнитная обработка, коронный разряд, эффект обеззараживания.

SUMMARY

Kovalenko L. Electromagnetic technologies and systems of treatment of biotobjects of plant-grower of the protected soil. Manuscript. Dissertation for obtaining the scientific degree of technical sciences candidate in specialty 05.11.17 - Biological and Medical Devices and Systems. Kharkiv National Technical University of Agriculture name after Peter Vasylenko, Kharkiv, 2010.

The changes of parameters of watering water and nourishing solutions are first explored at magnetic treatment and treatment in the field of crown digit. Analytical dependence of рН and oxidant-restoration potential of solution is set on descriptions of the electromagnetic field and composition of solution. A method and device for electromagnetic treatment of watering water and solutions of mineral fertilizers is offered in the hothouses of the protected soil, allowed promoting efficiency of the use of fertilizers, improving the mode of mineral feed of plants, and carrying out disinfecting of solution. The parameters of setting are first grounded for electromagnetic treatment and the method of its calculation is developed. Priority of technical decisions is protected the patents of Ukraine.

Grounded and chosen parameters of the modes of electromagnetic treatment, both water and solutions of mineral fertilizers which was pour the row of sorts of vegetable cultures, algorithms and hardware's are developed for introduction in the system of watering, electromagnetic treatment, in hothouses with hydroponics technology of growing and in the protected soil. Technical realization of the offered method, use of device, is carried out allows to multiply the productivity of cultures, improve quality of products, cut down expenses fertilizers and water due to adjusting of composition of solution, and also provides disinfecting and increase of term of the use of solution, a method is applied in industry.

Key words: hydroponics technologies, biological objects, magnetic treatment, crown digit, effect of disinfection.

Размещено на Allbest.ru

...