Электороозонные технологии в семеноводстве и пчеловодстве

Классификация по виду технологического цикла (повторно-кратковременный, либо постоянный) предполагает определенные требования к автоматизации процесса, т.е. устройства повторного включения, учитывающие продолжительность обработки; при постоянном режиме работы необходимо учитывать систему охлаждения разрядного устройства электроозонатора.

Рисунок 2- Структурно-логическая схема разработки электроозонных технологий в сельскохозяйственном производстве

Деление по назначению воздействия позволяет изначально предположить, по аналогии, необходимые дозировки обработки и выбрать оптимальные режимы и значения воздействующих величин, соответственно определить необходимое технологическое оборудование и энергоемкость процесса.

В частности, в электроозонных технологиях в зависимости от используемых для обработки концентраций озоновоздушной смеси и агрегатного состояния обрабатываемого объекта предполагается использование аэродинамического расчета необходимого количества и давления подаваемого воздуха, определение герметичности системы, оборудования подготовки воздушной среды, охлаждения разрядного устройства, системы разложения озона для восстановления первоначальной окружающей среды. В конечном итоге это определяет затраты на создание технологического оборудования. Анализ и классификация электроозонных технологий позволили сформулировать общетехнические требования к технологическому оборудованию. На примерах повышения посевных свойств семян кукурузы и сахарной свёклы (повышения всхожести до 20%, энергии прорастания до 13%, силы роста до 6%), а также оздоровить в ранневесенние сроки пчелосемьи от заболевания аскосферозом что, как показала практика озонирования пчел в пчеловодческих хозяйствах Краснодарского края, увеличивает количество особей в пчелосемье до 40%, что приводит к росту медосбора за сезон до 30%.

На основании системного подхода была разработана структурно-логическая схема разработки электроозонных технологий в сельскохозяйственном производстве (рис.2).

Рисунок 3- Схема технологического процесса электроозонной предпосевной обработки семян

В качестве примера разработки технологического процесса рассмотрели технологию предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур. Схема технологического процесса электроозонной предпосевной обработки семян представлена на рис.3. Как видно из суммы представленных на схеме показателей, необходимо проведение ряда теоретических и экспериментальных исследований.

На основании анализа ранее проводимых работ по электроозонированию семян стало ясно, что для создания и разработки промышленной технологии необходимо определить характер распределения и поглощения озона в слое семян.

В этих целях был проведен ряд теоретических и экспериментальных исследований, в результате была получена зависимость необходимой по технологическим условиям производительности электроозонатора Ф от морфологических свойств семян и условий окружающей среды для получения заданной концентрации озона в слое семян.

,

(1)

где - производительность вентиляционной установки, - концентрация озона на выходе в слое семян; S(х)- площадь сечения озоновоздушного потока; - коэффициент сопротивления трения; - плотность перемещаемой озоновоздушной смеси; d-диаметр отверстия; h- толщина слоя семян; Lo- объем озоновоздушного потока; Кo – величина константы скорости поглощения озона семенами при концентрации озона, равной нулю;-эмпирический коэффициент, учитывающий снижение производительности от влажности и температуры воздуха; R- аэродинамическое сопротивление зерна.

Для определения требований к оборудованию подачи озоновоздушной смеси была разработана методика расчета этой системы, где учитывались потери давления в слое семян от их морфологических свойств и потери от запыленности среды, что немаловажно для сельхозпроизводства:

(2)

где Н- потребный напор вентилятора; Н- наибольшие потери в магистрали; hр- аэродинамическое сопротивление разрядного устройства электроозонатора; hвс- суммарное сопротивление нагнетающей линии; Нс- сопротивление слоя семян; - коэффициент, учитывающий сопротивление от запыленности.

Разработана методика определения дозы озонирования при предпосевной обработке семян сельскохозяйственных культур. Анализ литературных источников, посвященных исследованию зерна и воздействию на него, позволяет сделать вывод, что химический состав различных зерновок сельскохозяйственных культур разнится очень незначительно. Следовательно, воздействие озоновой обработки для различных культур должно описываться какими-то общими параметрами и подчиняться общим закономерностям. В соответствие с этим составлена система показателей электроозонной обработки.

(3)

где С – концентрация озона в озоновоздушной смеси; V – количество подаваемого воздуха; Vу- удельное количество озоновоздушной смеси на 1 кг семян; m – масса обрабатываемого зерна; t – время обработки; D- эффективная доза озона для обработки 1кг семян; h- морфологический показатель семян; S- площадь поверхности семени.

Морфологический показатель семян h определяет отношение массы m семени к площади его поверхности S, как основной показатель, характеризующий исходную сельскохозяйственную культуру. Для кукурузы hк составит 1,94 кг/м2, а для сахарной свеклы hсс=0,99 кг/м2. Таким образом, на один метр квадратный поверхности семян кукурузы приходится 1,94 кг массы зерна, а на единицу поверхности семян сахарной свеклы значительно меньше (примерно в 2 раза), т.е. через одну и туже площадь поверхности приходится обрабатывать различную массу биологического материала. По всей видимости, отношение показателей h и доз обработок D для различных культур должно быть пропорциональным.

, (4)

где n –масса тысячи семян; R – радиус семени.

Для рассмотренных культур соотношение составило 1,98, так как пропорциональность соблюдается, то можно предположить, что для различных сельскохозяйственных культур существует коэффициент g, зависящий от h и определяющий эффективную дозу обработки.

, (5)

Введя единичный показатель h0, равный 1,0 кг/м2, определим для него удельную дозу обработки D0= 0,984 мг/кг. Соответственно, для предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур:

, (6)

Для определения необходимой дозы обработки была построена номограмма, представленная на рис.4, D=f(S,m,h,g).

Таким образом, получена вся совокупность параметров, необходимых для подбора соответствующего технологического оборудования.

Рисунок 4 - Номограмма для определения дозы обработки семян сельскохозяйственных культур озоном в зависимости от массы и площади поверхности тысячи семян

Разработана универсальная структура электроозонных технологий, основанная на механизме воздействия озона на сельскохозяйственные объекты, позволяющая определить совокупность составляющих технологического процесса и установить взаимосвязь между ними. Данная структура применима как в растениеводстве, так и в других отраслях сельскохозяйственного производства.

Согласно структурно-логической схеме разработки электроозонных технологий в сельскохозяйственном производстве, определяется объект и цель обработки, предполагаемый объем обработки, в соответствии с этим по классификационной схеме подбирается предполагаемое оборудование, определяются примерные дозировки обработки и область возможного сопутствующего применения. Строится схема технологического процесса и определяется группа факторов воздействия и отклика обработки.

Для определения воздействия электроозонной обработки на

зоологические объекты предложена гипотеза о электрофизическом влиянии озона на параметры внутриульевого микроклимата. Так как влагосодержание озонированного воздуха меньше обычного при одинаковых условиях, следовательно, снижается требуемый для удаления метаболической влаги воздухообмен, а также потери тепла на вентиляцию.

Выразим значимость снижения потерь на вентиляцию:

, (7)

где – коэффициент снижения тепловых потерь, %, – тепловые потери улья через ограждения; Nв – тепловые потери улья в результате воздухообмена, NвО3- изменение тепловых потерь через вентиляцию при озонировании.

Коэффициент снижения тепловых потерь позволяет оценить экономию энергии на поддержание внутриульевого микроклимата в процентном отношении. На основании вышеизложенных положений можно определить влияние обработки озоном на ход весеннего развития пчелиной семьи. В результате получена математическая модель влияния осушающих свойств озона на степень развития пчелиных семей в период весеннего наращивания:

. (8)

где – степень развития пчелиных семей без обработки; – степень развития пчелиных семей, подверженных обработке озоном; - затраты энергии пчелиной семьи, направленные на весеннее развитие; – работа, направленная на развитие пчелиной семьи при обработке озоном, отличающаяся на величину снижения тепловых потерь L.

, (9)

где d0 – плотность воздуха; cв – теплоемкость воздуха; – теплоемкость воды; – изменение абсолютного влагосодержания озонированного воздуха; – количество воды, выделившееся в результате окисления корма; – масса воды, осушенной в результате озонирования; tв – внутриульевая температура рассматриваемого периода; tн – средняя температура наружного воздуха в рассматриваемый период.

В третьем разделе представлены описание экспериментального оборудования и технологии предпосевной обработки семян, защищенные патентами РФ. Разработана методика проведения лабораторных исследований для определения энергии прорастания, всхожести и силы роста семян кукурузы. Проведены экспериментальные исследования по выявлению влияния озоно-воздушной смеси при различных значениях концентрации и экспозиции на энергию прорастания, силу роста и всхожесть семян кукурузы. В результате получены диаграммы, приведенные на рис. 5,6.

Рисунок 5. - Влияние озона на прорастание и всхожесть семян кукурузы

Для оценки качества семенного материала кукурузы получены уравнения множественной регрессии, которые имеют вид

y=3.66+1.84·х1х3+1.6·х2х3-23.84·X33+31.44·X32–7.96·X3–1.04·х1х2х3–4.9·X1–14.8·X13+19.6·X12–7.52·X23+7.56·X22, (10)

где y1- энергия прорастания, %; Х1 – время длительности обработки зерна озоном, (4 уровня - 3, 5, 7 и 9 мин.); Х2 – концентрация озона, (4 уровня - 12, 24, 36 и 48 мг/м3); Х3 – время до высева, (4 уровня - 1, 10, 20 и 30 суток ).

Рисунок 6 -Изменение силы роста проростков кукурузы от воздействия на них озоно-воздушной обработки и отлежки после обработки

Y2 = 52.9+1.4 х2х3- 22.64 X13-9.96 X1-0.38 X23-9 X22- -7.16 X33+6 X32+1.56 х1х3+30.72 X12+10.64 X2-1.12 х1х2, (11)

где Y2 – зависимая переменная, всхожесть семян кукурузы, %.

Y3=23.8+7.08 X3-5.16 X33-9.96 X13+9.48 X12+23.0 X22, (12)

где Y3 – сила роста, %.

Поставлен эксперимент по выявлению влияния озоно-воздушной смеси при различных значениях концентрации и экспозиции на энергию прорастания, силу роста и всхожесть семян сахарной свеклы.

Для оценки качества семенного материала сахарной свеклы получены уравнения множественной регрессии, которые имеют вид

у1=29.16+15.96х1-1.52х2-0.2х3+0.4х1х2+1.12х1х3+1.04х2х3-

-0.64х1х2х3-8.96х2, (13)

где у1-энергия прорастания, %

у2=50.08+12.0х1+2.52х2-0.16х3+0.48х1х2+2.08х1х3+1.8х2х3-0.08х33, (14)

где у2-всхожесть, %

Диаграмма влияния времени обработки и концентрации озона на всхожесть семян сахарной свеклы представлена на рис.7.

Для определения адекватности регрессионной модели были построены графические зависимости наблюдаемых значений и остатков, наблюдаемых и предсказанных значений всхожести, на основании которых можно сделать вывод о высокой точности регрессионной модели.

Рисунок 7 - Диаграмма влияния времени обработки и концентрации озона на всхожесть семян сахарной свеклы

В четвертом разделе представлено описание экспериментального оборудования, методика определения интенсивности развития пчелиных семей, исследование влияния озона на аскосфероз пчел и интенсивность весеннего развития пчелиных семей, разработана технология электроозонирования для стимуляции весеннего развития пчелосемей и лечения аскосфероза пчел, защищенная патентами РФ.

Проведены экспериментальные исследования по выявлению влияния озоно-воздушной смеси при различных значениях концентрации и экспозиции на степень обеззараживания пчел при заболевании аскосферозом. В результате получена диаграмма, приведенная на рис.8.

Представлен эксперимент по выявлению влияния озоно-воздушной смеси при различных значениях концентрации, экспозиции и периодичности обработки на интенсивность весеннего развития пчелосемей, по результатам построена диаграмма, представленная на рис.9.

Для определения влияния озонирования на интенсивность весеннего развития пчелосемей получено уравнение регрессии (15)

где х1 – концентрация озоновоздушной смеси, подаваемой в улей (4 уровня - 16, 32, 48 и 64 мг/м3).

Значения уровней были приняты в области экстремумов, полученных в однофакторном поисковом эксперименте; х2 – время экспозиции (4 уровня - 6, 12, 18 и 24 ч); х3 – количество обработок за период исследования (4 уровня - 6, 12, 18 и 24 раза).

Для определения адекватности регрессионной модели были построены графические зависимости наблюдаемых значений и остатков, показавшие, что модель адекватно описывает данные. Следовательно, с ее помощью можно сделать достоверный вывод о зависимости между х-переменными и Y за рассматриваемый промежуток времени. В целом эффект объясняется увеличением содержания свободного кислорода в внутриульевом воздухе, улучшением внутриульевого микроклимата по параметрам влажности, концентрации болезнетворных микроорганизмов, что позволяет значительно улучшить санитарную ситуацию и снизить потери тепла пчелиной семьи за счет снижения воздухообмена. На базе полученных результатов определили технологические и конструктивные требования к процессу и электроозонатору для обработки пчел. Таким образом, разработанный метод применим во многих технологических процессах электроозонной обработки сельскохозяйственных объектов.

Рисунок 8 – Влияние концентрации и экспозиции озонообработки на степень обеззараживания пчел при аскосферозе

Рисунок 9 – Диаграмма влияния концентрации озона и периодичности обработок на степень развития пчелиных семей