Сельскохозяйственные электротехнологии

2.2. Сельскохозяйственные электротехнологии

Сельскохозяйственные электротехнологии предусматривают непосредственное воздействие электрической энергии на такие процессы, как предпосевная обработка семян, стерилизация почвенного субстрата и сорной растительности, прополка посевов культурных растений, предуборочная чеканка кустов хлопчатника, улучшение условий хранения корнеклубнеплодов и фруктов, дезинфекция помещений, оборудования и тары, очистка кормов, обеззараживание питьевой воды и стоков животноводческих помещений, оборудования и других объектов и материалов, лечение животных.

Для сельскохозяйственных электротехнологий резонансный генератор электрической энергии позволяет получить высокое напряжение постоянного или переменного тока повышенной частоты, высокопотенциальное электрическое поле, холодноплазменный электрический разряд, которые обеспечивают стерилизующий, антисептический, дезинфицирующий или коагулирующий эффект. Резонансный генератор дает возможность получать и в широких пределах изменять степень ионизации газовой среды потоком холодной плазмы, напряженность постоянного или переменного электрического поля для непосредственного воздействия на обрабатываемую продукцию, объекты, материалы или живые ткани. Ряд преимуществ нового технического решения и широкие технические возможности резонансного генератора свидетельствуют о целесообразности и эффективности его применения для сельскохозяйственных электротехнологий.

Комплекс технических средств на основе использования резонансного высокочастотного генератора можно использовать для антисептирования, обработки и стерилизации сельскохозяйственной продукции, а также поверхностей материалов, повышения сохранности технологического оборудования в условиях высокой влажности и химически агрессивной среды, присущих сельскохозяйственному производству. Особенностью этой технологии является низкая температура поверхности при обработке, нетоксичность продуктов реакции, доступность используемых материалов, возможность групповой обработки объектов. Применение такой электротехнологии позволит улучшить качество и сохранность сельскохозяйственной продукции, повысить эксплуатационные свойства технологического оборудования /26, 27/.

Электроантисептирование является одним из высокоэффективных методов бактерицидной обработки. Метод основан на использовании электрического поля напряженностью 5 – 7 кВ/см для получения аэроионов, электрического ветра, озона и других продуктов электрохимических реакций в газе. Электроантисептирование совмещает химические и физические свойства бактерицидного воздействия на объекты и дает возможность для разработки автоматизированных систем дезинфекции технологического оборудования и обработки сельхозпродукции непосредственным воздействием на обрабатываемые объекты при помощи несложных приспособлений и технологических устройств, не сопровождается повышением температуры и может быть использовано для стерилизации и обработки без нарушения свойств продукции животноводства и растениеводства. При осуществлении процесса электроантисептирования бактерицидные компоненты электротехнологии исчезают через определенное время, не загрязняя окружающую среду. Электроантисептирование исключает потребление воды, применение химических дезинфектантов и отмывание объектов от химпрепаратов после обработки.

При электрообработке продукции растениеводства под влиянием ионизированной среды воздуха происходит замедление основных биологических процессов в корнеклубнеплодах, что положительно влияет на состояние растительных тканей и способствует длительному хранению. Электрообработка обеспечивает значительное снижение потерь сельскохозяйственной продукции, увеличивает выход товарной продукции и способствует сохранению их пищевой ценности. Электрообработка семян может производиться начиная с периода хранения или непосредственно перед посевом в зависимости от их вида. В результате электрообработки семян повышается энергетический обмен клетки и интенсивность дыхания тканей, а во время хранения она усиливает накопление ингибирующих веществ, способных подавлять прорастание клубня и рост фитопатогенных микроорганизмов.

Проведены исследования холодноплазменного резонансного генератора в качестве источника питания для озонаторов.

На рис. 2.8 представлен общий вид разработанного озонатора с питанием от резонансного генератора. Озонатор имеет следующие габаритные размеры: высота – 510 мм, наружный диаметр – 102 мм, диаметр дисков рабочего электрода – 58 мм, количество дисков – 8. Озонатор прост по конструкции и в изготовлении, имеет расчетную производительность по озону до 70 – 100 мг/ч.

Резонансный генератора при работе с озонатором сохраняет работоспособность даже при переходе коронного разряда в дугу, когда генератор после срыва дуги вновь переходил на рабочий режим. Отсутствие умножителя напряжения значительно повышает надежность системы озонатор – источник питания.

На рис. 2.9 представлена эквивалентная электрическая схема озонатора. Параметры элементов схемы зависят от мощности источника питания и производительности озонатора.

Озонатор с резонансным генератором обеспечивает эффективность обработки воздуха за счет количества получаемого озона, УФ-излучения, электронной и ионной бомбардировки, высокой напряженности электрического поля в разрядной зоне, достигающей 10 кВ/см и более высокой концентрации озона до 20 – 100 мг/м3 в межэлектродном пространстве (в работе принимал участие к.т.н. А.В. Першин).

Энергозатраты на производство озона при использовании резонансного генератора составляют не более 15 кВт∙ч на один килограмм озона. Выходные параметры по напряжению и частоте должны иметь возможность плавной регулировки в заданных пределах. Использование холодноплазменного потока и электрического поля различной напряженности позволит легко автоматизировать технологический процесс обработки, обеспечить высокий бактерицидный эффект, простоту получения обеззараживающего агента, малые энергетические затраты. Широкому применению разрабатываемых электротехнологий должна предшествовать оптимизация режимов обработки для каждого вида продукции, объекта, оборудования или материала. Экологическая чистота озона и доступность получения его на месте с помощью современных озонаторов на основе резонансного генератора дает возможность широкого применения озона в сельскохозяйственном производстве и на предприятиях пищевой промышленности.

Рассмотрим возможности резонансного генератора при использовании его в качестве высоковольтного источника для электротехнологических установок уничтожения сорняков. Электротехнология борьбы с сорняками основана на том, что прохождение тока через растения вызывает локальный нагрев сока в клетках и межклеточниках, что приводит к взрыву клетки за счет вскипания жидкости. Определяющим фактором также является энергия, вызывающая разрывы в клетках и межклеточниках.

Рис. 2.8. Озонатор с питанием от резонансного генератора мощностью 0,1 кВт

Рис. 2.9. Эквивалентная электрическая схема озонатора:

РГ — резонансный генepaтор;  VD1, VD2 — высоковольтные диоды; HR1 — разрядник; R — балластное сопротивление; Сш — шунтирующая емкость

Механизм воздействия на растения при импульсном высоковольтном разряде определяется в основном влиянием тока, проходящего через растение, и ударной волны, возникающей при электрическом разряде на растение. Для прохождения электрического разряда через растение используют два электрода: первый электрод касается верхней части растения, а второй располагают в почве на глубине 10 – 15 см. Иногда используются два незаземленных электрода, между которыми приложено полное напряжение и которые касаются верхних и нижних частей растения.

Механизм воздействия тока на растительную ткань заключается: в тепловом действии тока, проходящего через растительные ткани и вызывающего нагрев и разрыв клеток; воздействии биохимических процессов, вызывающих разрушение мембраны клетки и возникновение электроосмотического толчка; воздействии гидродинамических усилий, возникающих при микроразрядах в клетках и межклеточниках; воздействии высокого напряжения, осуществляющего пробой мембран.

Электротехнологическая установка для стерилизации сорной растительности и почвы представляет собой мобильное устройство, которое крепится на раме агрегатируемого с трактором прицепного или навесного рабочего органа для обработки междурядий культурных посевов. Стерилизация сорняков и почвы, а также прополка культурных растений осуществляется при помощи электрических импульсов высокого напряжения, вырабатываемых специальным высоковольтным генератором, питаемым от аккумуляторной батареи или вала отбора мощности трактора. Генератор должен обеспечить генерацию электрических импульсов напряжением 10 – 30 кВ при частоте 0,5 – 1,0 кГц.

Для проведения экспериментальных исследований были выбраны сорняки пропашных культур: бодяк полевой, осот полевой, вьюнок. Выбор этих сорняков обусловлен их устойчивостью к гербицидам. Для лабораторных исследований почвенные образцы вместе с растущими сорняками доставлялись с поля без нарушения структуры в пластиковых ведрах. Влажность почвы поддерживалась в пределах 18%. Эксперименты проводились преимущественно в течение нескольких часов после доставки растений в испытательный зал.

Исследования по воздействию высоковольтных импульсов на сорные растения проводились использованием резонансного генератора электрической энергии, позволяющего плавно регулировать напряжение от 0 до 50 кВ и обеспечивающего подачу на рабочий промежуток импульсов высокого напряжения. Принципиальная схема электротехно-

Рис. 2.10. Схема питания электротехнологической установки

для борьбы с сорняками:

РГ — резонансный генератор; VD1, VD2 —высоковольтные диоды; HR1 — разрядник; R — зарядное сопротивление; К – ключ;

РП – рабочий промежуток (растение)

логической установки приведена на рис. 2.10. Сорные растения обрабатывались в ящиках с землей. Один электрод заглублялся в землю, а второй соприкасался с обрабатываемым растением. От резонансного генератора по однопроводной линии через высоковольтные диоды и зарядное сопротивление происходил заряд емкости с последующим её разрядом через искровой промежуток на сорное растение, находящееся в рабочем промежутке, и проводились измерения свойств и параметров обработанной растительной ткани (в проведении испытаний принимал участие с.н.с. ВИЭСХ В.Н. Топорков).

При помощи резонансного генератора возможна также разработка энергосберегающей электротехнологии предпосевной обработки семенного материала. Для осуществления процесса обработки семян требуется напряжение 15 – 30 кВ, напряженность электрического поля 3,5 – 5,5 кВ/см. Обработка семян в электрическом поле позволяет улучшить их всхожесть и повысить урожайность сельскохозяйственных культур.