На правах рукописи

ЕППИК Сергей Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ГИДРОПОННОГО РАСТЕНИЕВОДСТВА

ПУТЕМ ЭЛЕКТРООБРАБОТКИ

ПОСАДОЧНОГО МАТЕРИАЛА И СУБСТРАТА

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии

и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Челябинск - 2009

Работа выполнена на кафедре физики Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Челябинский государственный агроинженерный университет.

Защита состоится л17 июня 2009 г., в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 при ФГОУ ВПО Челябинский государственный агроинженерный университет по адресу: 454080, г.Челябинск, пр. Ленина, 75.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО Челябинский государственный агроинженерный университет.

Автореферат разослан л15 мая 2009 г. и размещен на официальном сайте ФГОУ ВПО ЧГАУ // www.csau.ru л15 мая 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Басарыгина Е.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Во многих регионах Российской Федерации, в том числе в Челябинской области, существует совокупность экологических проблем, связанных с нарушением природного баланса и затрудняющих получение экологически чистой продукции растениеводства. Использование гидропонных технологий, позволяющих возделывать растения на искусственной почве, является одним из путей решения этой важной народнохозяйственной задачи. Однако гидропонное производство продукции растениеводства сопряжено со значительными энергозатратами, в связи с чем актуальной задачей является разработка технических средств, позволяющих повысить его эффективность. В этом плане целесообразной представляется обработка посадочного материала и субстрата в поле коронного разряда, которая позволит активировать обменные процессы и создать необходимые условия для реализации растениями своих потенциальных возможностей.

Вопросы комплексной электрообработки посадочного материала и субстрата при гидропонном выращивании растений изучены не полностью и требуют дополнительной проработки.

Настоящая работа посвящена проблеме применения электрообработки субстрата и посадочного материала при гидропонном выращивании полифункциональных растений, которые используются при производстве пищевых красителей, пряностей, лекарственных препаратов, а также в декоративном цветоводстве и озеленении.

Исследования проводились в соответствии с Межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006 - 2010 гг.: Проблема IX. Научное обеспечение повышения машинно-технологического и энергетического потенциала сельского хозяйства России, а также планом НИР ЧГАУ на 2004-2009 гг.

Цель исследования: повышение эффективности гидропонного растениеводства путем увеличения производительности растений за счет использования технических средств электронно-ионной технологии.

Задачи исследования

1. Получить модель выхода биомассы и определить режим электрообработки посадочного материала и субстрата, позволяющий получать наибольший отклик растений.

2. Разработать установку, позволяющую осуществлять обработку в поле коронного разряда как субстрата, так и посадочного материала.

3. Разработать технологию выращивания полифункциональных растений на гидропонной основе, включающую в себя операцию обработки посадочного материала и субстрата в поле коронного разряда.

Объект исследования: процесс обработки посадочного материала и субстрата в электрообрабатывающей установке при гидропонном выращивании полифункциональных растений.

Предмет исследования: закономерности изменения выхода биомассы растений при различных режимах обработки посадочного материала и субстрата в электрообрабатывающей установке.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту. В работе впервые предложено и апробировано комплексное воздействие поля коронного разряда на посадочный материал и минеральный субстрат для активирования растений (на примере полифункциональных растений - крокусов и тюльпанов). Предложена электрообработка: минерального субстрата в виде прохождения потоком частиц поля отрицательного униполярного коронного разряда в горизонтальной и вертикальной электродных системах; посадочного материала - в виде прохождения поля отрицательного униполярного коронного разряда в горизонтальной электродной системе. Раскрыта взаимосвязь между электрическим зарядом частиц субстрата и посадочного материала и их расположением в рабочей зоне электродной системы лиглы на стержнях - плоскость. Определены вольт-амперные характеристики данной системы электродов при размещении на некоронирующем электроде монослоя субстрата и посадочного материала. Определен заряд, получаемый посадочным материалом и субстратом при обработке в поле коронного разряда. Получены математические модели, описывающие отклик полифункциональных растений (выход биомассы, высота бокала, высота цветоноса) на электрообработку посадочного материала и субстрата. Разработана методика оценки эффективности электрообработки посадочного материала и субстрата.

Практическая ценность работы и реализация ее результатов. Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в том, что на их основе разработана и опробована установка для обработки посадочного материала и минерального субстрата в поле отрицательного униполярного коронного разряда. Разработанные математические модели и установленные взаимосвязи могут быть использованы на всех стадиях проектирования установок для электрообработки материалов.

Полученные результаты позволяют дать практические рекомендации по применению электрообработки посадочного материала и субстратов в гидропонном растениеводстве. Новизна технических решений защищена двумя патентами РФ.

На основе проведенных в рамках представленной работы исследований были разработаны и приняты к внедрению: технология гидропонного выращивания полифункциональных растений с обработкой посадочного материала и субстрата в поле коронного разряда - в ОАО Тепличный (Челябинская область); методика оценки эффективности электрообработки посадочного материала и субстрата - в Челябинском научно-исследовательском институте сельского хозяйства (ЧНИИСХ). Результаты работы используются в учебном процессе Челябинского государственного агроинженерного университета.

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований были представлены и получили одобрение на научно-технических конференциях, в том числе: на V Международном Салоне инноваций и инвестиций (Москва, ВВЦ, 2005 г.) - получены диплом и бронзовая медаль; на 5-й международной научно-технической конференции Всероссийского института электрификации сельского хозяйства Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве (г. Москва, 2006 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях ЧГАУ. На специализированных выставках-ярмарках Агро-2005, Агро-2007 - получены дипломы и золотые медали (Челябинск, 2005, 2007 гг.).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 14 научных работ, в том числе 2 патента РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, библиографии из 140 наименований и 2 приложений. Содержание работы изложено на 137 страницах, текст содержит 40 рисунков и 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель исследования и задачи исследования, кратко изложены основные положения, выносимые на защиту, дана общая характеристика работы.

Первая глава Состояние вопроса и задачи исследований посвящена анализу существующих способов выращивания растений. На основе анализа установлено, что гидропонные технологии, использующие заменители почвы, приобретают в настоящее время особое значение в связи с обостряющейся экологической обстановкой. В современных производственно-экологических условиях в качестве искусственной почвы широко применяют минеральные субстраты, характеризующиеся высокой влагоемкостью, сорбционными и пролонгирующими свойствами. Большое внимание уделяется выращиванию полифункциональных растений (в частности, крокусов и тюльпанов), являющихся сырьем при производстве пищевых красителей, пряностей, лекарственных препаратов, а также использующихся в декоративном цветоводстве и озеленении. Однако получение продукции гидропонного растениеводства, осуществляемого в условиях защищенного грунта, связано со значительными энергозатрами. В связи с этим разработка технологий и технических средств для повышения эффективности гидропонного растениеводства является актуальной задачей.

В работах А.М. Басова, Н.Ф. Батыгина, И.Ф. Бородина, Ф.Я. Изакова, А.А. Мешкова, А.Н. Мироновой, Э.А. Каменира, Г.В. Новиковой, В.М. Попова, Л.Г. Прищепа, В.И. Тарушкина, В.Н. Шмигеля и других ученых показано, что эффективность традиционного (почвенного) растениеводства может быть повышена путем использования электрических полей для обработки посевного и посадочного материала. В работах П.М. Трушина, М.Р. Хаматдиновой и других рассматриваются вопросы электрообработки субстратов при выращивании рассады и зеленных растений с сокращенным вегетационным циклом. Однако возможности использования электрических полей для повышения эффективности гидропонного выращивания полифункциональных растений с полным вегетационным циклом путем комплексной обработки посадочного материала и субстрата не установлены, что определило предмет и объект исследования.

Анализ публикаций позволил сформулировать рабочую гипотезу: обработка посадочного материала и субстрата в поле отрицательного униполярного коронного разряда позволит активировать процессы роста и развития, а также дополнительно ионизировать поверхностные атомы субстрата, усиливая его обменные и сорбционные свойства, что улучшит условия для реализации растениями своих потенциальных возможностей и приведет в конечном счете к повышению их продуктивности.

На основе проведенного анализа была поставлена цель исследования и определены задачи исследования.

Вторая глава Теоретические предпосылки электрообработки посадочного материала и субстрата с помощью машин электронно-ионной технологии посвящена проблемам производства продукции гидропонного растениеводства. Эффективное производство этой продукции возможно при соблюдении двух основных условий: активного протекания процессов роста и развития растений; интенсивного минерального питания. Эти условия обеспечиваются при комплексной обработке посадочного материала и субстрата в поле отрицательного униполярного коронного разряда, для реализации которой необходимо электрообрабатывающее устройство.

Как показал анализ проведенных исследований, наибольшее распространение получили электрообрабатывающие машины транспортерного типа. Однако входящие в их состав электродные системы недостаточно эффективны, поскольку могут осуществлять электризацию только части поверхности обрабатываемого материала и комплексную обработки посадочного материала и субстрата проводить не позволяют.

Разработанная нами электродная система позволяет осуществлять дополнительную электризацию обрабатываемого материала. Это достигается тем, что потенциальные электроды располагаются под углом друг другу и создаются два межэлектродных пространства: горизонтальное и вертикальное (рисунок 1). Мы применяли электродные системы лиглы на стержнях - плоскость, параметры которых принимались на основании материалов публикаций (горизонтальная система) и расчета основных параметров: межэлектродного расстояния, высоты межэлектродного пространства, расстояние от коронирующего электрода до щели бункера с учетом характеристик движения частиц (вертикальная система).

Для машин камерного типа межэлектродное расстояние h, если дано среднее значение напряжения, определяют по формуле

, (1)

где Е - напряженность электрического поля.

Расстояние от короны до щели бункера

. (2)

Наибольший угол наклона траектории обрабатываемого материала к вертикали

, (3)

где Сpm - критерий разделения материала; Е - напряженность электрического поля; g - гравитационная постоянная.

Высота сепаратора

. (4)

Для определения изменений в протекании технологического процесса в рабочей зоне электродной системы лиглы на стержнях - плоскость при переходе к электрообработке посадочного материала и субстрата изучались вольт-амперные характеристики (ВАХ).

При обработке в поле отрицательного униполярного коронного разряда происходит электризация посадочного материала и субстрата. Анализ теоретического материала позволил выделить основные выражения для определения электрического заряда, учитывающие форму, диэлектрическую проницаемость и положение частиц в межэлектродном пространстве (рисунок 2). Результаты расчетов предельного заряда минерального субстрата и посадочного материала, а также закономерности изменения заряда частиц в межэлектродном пространстве, которые определялись с помощью программ MathCAD и Excel, представлены в главе 4.