Интенсификация электроимпульсных процессов в агротехнологиях

Введение. Несомненные достоинства электроимпульсных устройств (ЗУ - под элек-троимпульсным устройством понимаем устройство, воздействующее на объект аграрного производства энергией разряда импульсов высокого напряжения с крутым фронтом и малым временем воздействия): низкие затраты энергетических ресурсов и времени при выполнении процессов, высокая производительность, исключительность (для ряда процессов невозможность применять иное технологическое оборудование), простота реализации процессов и т.п., по сравнению с другими видами технологического оборудования, открывают перспективы их широкого использования в интенсифицированных экологически чистых агротехнологиях.

Электроимпульсные устройства целесообразно использовать практически на всех этапах производства продукции полеводства (предпосевная подготовка, возделывание сельхозкультур, их хранение, переработка и др.) как для непосредственных воздействий на живую растительную ткань объекта аграрного производства, так и на среду его обитания:

• -    обработка почвы, используемой как удобрение;

• -    приготовление рабочих растворов удобрений;

• -    увеличение усвояемых форм азота и других элементов при обработке почвы;

• -    обработка воды для полива растений;

• -    подъем воды из скважин;

• -    обеззараживание тепличного грунта;

• -    предпосевная обработка семян;

• -    уничтожение всходов и взрослых сорняков, «провокации» прорастания семян сорняков в почве с последующим их уничтожением, до посева основной культуры;

• -    электроискровое импульсное прореживание всходов сахарной свеклы;

• -    предуборочная обработка подсолнечника для ускорения созревания и сушки его семянок на корню;

• -    интенсификация сушки травы;

• -    предуборочная обработка табака;

• -    интенсификация выделения веществ из растительных клеток;

• - обработка виноградной мезги и т.п.

Использование электроимпульсного разряда для выполнения отдельных технологических операций и их комплексов при производстве продукции растениеводства и полеводства (рисунок 1) не предусматривает изменений структуры объекта аграрного производства на генном уровне, не вызывает ухудшения каких-либо потребительских свойств или характеристик объекта аграрного производства, сиюминутных или отсроченных негативных воздействий на окружающую среду, человека. Рассмотрим случаи применения эле про импульсных установок в агропроцессах полеводства.

Анализ последних исследований, методология исследования. Важной задачей в интенсификации процессов производства в агротехнологиях является обеспечение растений необходимыми питательными веществами и в первую очередь азотом, калием и фосфором, которые находятся в почве в больших количествах, но в неусвояемой для растений форме.

Многочисленными отечественными и зарубежными исследованиями установлено, что при элепровоздействии на почву происходит повышение в ней содержания усвояемых форм полезных для роста растений элементов. Отмечено, что при обработке в электрогидравличе-ской дробилке водопочвенной смеси в ней увеличивается содержание усвояемых форм азота, фосфора, калия и микроэлементов [1].

Сущность этого эффекта состоит в том, что при высоковольтном импульсном разряде внутри объема жидкости, которая находится в закрытом или открытом сосуде, вокруг зоны канала разряда возникают сверхвысокие гидравлические давления, в результате которых появляются ударные волны, распространяющиеся со звуковой и сверхзвуковой скоростями, возникают кавитационные процессы, охватывающие большие объёмы жидкости, электромагнитные поля; интенсивные импульсные световые, тепловые, ультрафиолетовые излучения и т.д. Все эти факторы оказывают на жидкость и помещенные в неё различные материалы физические и химические воздействия.

Метод электрогидравлической обработки позволяет производить экологически чистое органическое удобрение из обычного торфа, который в натуральном состоянии растения не могут потреблять.

Плодородие почвы определяется органическими веществами торфа и входящими в него гуминовыми кислотами, содержащими физиологически активные вещества, которые повышают процессы жизнедеятельности живых организмов. Электрогидравлическая обработка, обладая многофакторным физико-химическим воздействием на органические структуры, является перспективным методом их активации [1, 2].

В США запатентованы метод и устройство для получения усвояемых форм азота и других элементов непосредственно в поле, при её обработке высоковольтным дуговым разрядом по пути «воздух - почва - воздух» [3, 4].

Исследования воздействия высоковольтных разрядов на почву показали увеличение усвояемых форм азота (УФА) при разрядах всех типов - дуге постоянного и переменного тока, импульсном искровом и кистевом разрядах [5]. Механизм увеличения УФА при этом в разрядах всех типов очевидно одинаков и связан с химическими реакциями, протекающими в почве из-за высоких температур и давлений в канале разряда. Показано [5, 6], что наиболее перспективно использовать импульсный кистевой разряд, охватывающий наибольший объем почвы и обеспечивающий, вследствие импульсного характера воздействия, максимальный объем обрабатываемого воздуха при низких энергозатратах. Полученный при кистевом разряде выход составил 5 мг/кг почвы (что соответствует 5 кг N/ra обрабатываемой площади) против 1 и 3 кг N/ra в искровом и дуговом разрядах соответственно.

Предложен механизм процессов обработки почвы, согласно которому непосредственное воздействие разряда связано с протеканием плазмохимических реакций в газовой фазе почвы, эффект последействия - с микробиологических процессов в ней. Согласно гипотезе выход No определяется плазмохимической реакцией N2-Kb=2NO и протекает во всем объёме воздуха, заключённом в почве. При воздействии кистевого разряда на почву увеличивается содержание в почве калия, фосфора и особенно азота - при этом ускоряется рост и развитие растений и повышается урожай сельскохозяйственных культур [5,6].

Для создания в почве кистевого разряда градиенты напряжения на рабочем промежутке поддерживались равными 1-2 кВ/см. В лабораторных условиях было выявлено, что для увеличения усвояемых форм питательных веществ, при обработке почвы кистевым разрядом, не требуются высоковольтные импульсы больших энергий: достаточно 2-10 Дж, при плотности обработки 10-30 Дж/кг почвы.

Для обработки почвы кистевым разрядом использовали пластинчатые электроды, которые заглублялись в почву на 5-10 см. Параметры импульсов изменяли в широких пределах: энергия 0,1-200 Дж, амплитуда импульсов 10-50 кВ, длительность 20-10000 мкс. Плотность энергии обработки варьировалась за счет изменения энергии импульса и числа разрядов на 1 кг почвы и составляла 20-2400 Дж. Расстояние между электродами менялось от 10 до 50 см.

Для полевых исследований была разработана передвижная установка с рабочими органами, электрическая схема которой приведена на рисунке 2.

В результате исследований было выявлено, что кистевой разряд способствует увеличению нитратов в почве влажностью 4-10% на 4-7 мг/кг почвы и аммиака при влажности 1518% - на 8 мг/кг почвы в течение всего вегетационного периода по сравнению с контролем.

Увеличение подвижных соединений калия и фосфора непосредственно при обработке составляет - 2 мг/кг почвы. Наиболее существенное увеличение содержания этих соединений при электрообработке наблюдается за счет последействия. Увеличение гумуса в почве при обработке составляет 7-9% первоначального его содержания (2,65%). Обработка почвы кистевым разрядом оказывает влияние на рост, развитие и урожай сельскохозяйственных культур.

Параметры генераторов импульсов (1-9): энергия импульсов - 0,4-10 Дж, напряжение, подводимое к эле продам, - 15-35 кВ, длительность импульса - 20-40 мкс.

При обработке почвы импульсным кистевым разрядом в ОПХ ВИЭСХ урожайность возросла в среднем за 5 лет на 2,8-3 ц/га в год. Кроме того на обработанных кистевым разрядом участках растения были выше контрольных, повышалось содержание протеина в зерне, что косвенно доказывает увеличение усвояемых форм азота на обработанной почве.

Таким образом, можно сделать вывод, что обработка почвы кистевым разрядом благо- приятно влияет на её химический состав, что обеспечивает прибавку урожая.

Результаты исследований и их обсуждение. Электро импульсная технология борьбы с сорняками имеет ряд преимуществ перед другими методами уничтожения сорняков как по эффективности, так и по затратам энергии на процесс [7-10]. Эта технология «встраивается» в общий цикл технологических операций возделывания сельхозкультур и имеет ряд преимуществ перед традиционными операциями уничтожения сорняков (механические, химические) (рисунок 3).

Первый этап электроимпульсной технологии включает осеннюю и (или) весеннюю обработку пахотного слоя почвы (до закладки семян полезных культур). Параметры воздействий (амплитуда, энергия, количество импульсов) обеспечивают ускорение либо задержку (отсутствие) появления всходов сорняков, семена которых остаются в почве после уборки урожая. С точки зрения снижения энергозатрат и трудоёмкости, общей эффективности и экологической чистоты, при практической реализации в условиях реального агропроизводства, наиболее целесообразно обеспечить (стимулировать) прорастание находящихся в почве семян, а затем, перед посевом семян основных культур, уничтожить всходы сорняков. Для обеспечения высокой всхожести семян сорняков достаточно выполнить однократную обработку почвы. Экспериментально установлено, что использование для обработки электрических импульсов энергией 5,0 Дж/кг почвы повышает всхожесть естественных запасов сорняков в пахотном слое почвы приблизительно в четыре раза (рисунок 4). Меньшие значения энергии импульсов не обеспечивают достигнутых значений всхожести сорняков, а при увеличении энергии более 5,0 Дж/кг почвы всхожесть естественного запаса семян сорняков начинает уменьшаться и при энергии обработки 32 Дж/кг почвы происходит угнетение всхожести.

Второй этап борьбы с сорняками заключается в уничтожении их всходов. По затратам ресурсов и времени наиболее эффективны воздействия электрическими импульсами на трехчетырехнедельные сорняки. Выполненные исследования свидетельствуют, что для эффективного истребления всходов сорняков (до 90%) необходимы импульсы энергией 10-20 Дж при напряжении 10-15 кВ (предел отсутствия пере крытия разряда по поверхности растений) (рисунок 5). Взрослые сорняки (возраст полтора-два месяца) эффективно уничтожаются при энергии импульсов более 100 Дж и напряжении U=30—35 кВ (большие значения напряжения увеличивают вероятность коронирования в полевых условиях с токоведущих частей электрокультиватора).

Для проверки и практического подтверждения эффективности электроимпульсной технологии использован спроектированный и изготовленный совместно ВИЭСХ и Брянским СХИ электроимпульсный культиватор (ЭИК). В качестве транспортной базы может быть применён трактор МТЗ-82 (МТЗ-80). В состав ЭИК входит синхронный генератор (20 кВА/16 кВт, 230/400 В, 400 Гц), установленный на задней подвеске трактора; модульный импульсный высоковольтный источник электроснабжения: система управления, защиты и контроля; рабочие органы.

Параметры источника электроснабжения: напряжение на выходе - 10-30 кВ; частота импульсов - 800-1200 Гц, фронт 0,5-1 мкс, длительность 50-100 мкс, энергия 0,4-10 Дж. Рабочие органы - контактные электроды (металлические прутки) снабжены сошниками для копирования рельефа почвы и установки высоты контактных электродов, которые на изоляторах закреплены на раме. Электроснабжение рабочих органов осуществлено кабелем, подключенным к высоковольтному источнику электроснабжения. Высоковольтный источник электроснабжения модульный, рабочие органы - секционированы, что существенно повышает эффективность уничтожения сорняков. Такое решение было обосновано необходимостью снизить при электрической прополке эффект «шунтирования», связанный с значительным разбросом величин электрических сопротивлений сорняков.

Для эффективного уничтожения сорняков предложены способ и устройство [11], сущность которых заключается в том, что истребление сорняков происходит в два этапа: вначале импульсами напряжения - 30-35 кВ и энергией - 0,05-0,1 Дж пробиваются мембраны клеток, расположенных в центре стебля и корня сорного растения, так как в этих местах находятся наиболее крупные клетки с меньшей суммарной толщиной мембран и более высоким тургорным давлением. Клеточное вещество через разорванные мембраны проникает в межклеточник, тем самым увеличивая проводимость стеблей и корней растений, которые становятся практически равными и соответствуют проводимости протоплазмы разрушенных клеток.

Однако полного разрушения структур сорных растений на этом этапе не происходит: из-за малой энергии импульсов разрушаются только мембраны центральной части стебля и корня и после прекращения воздействий растения могут полностью восстановить свои функции. Для полного уничтожения сорных растений необходимо воздействовать импульсами пониженного напряжения с большей энергией: амплитудой - 10-15 кВ и энергией - 5-20 Дж. Так как электрическая проводимость сорняков после первого этапа обработки приблизительно одинаковая, то высоковольтные импульсы равномерно распределяются по всем сорным растениям, которые в данный момент контактируют с рабочими органами устройства. В результате этого повышается эффективность уничтожения сорняков.

Функционирование устройства, реализующего данный принцип, предусматривает использование двухэлектродных рабочих органов и, соответственно, генерацию и распределение на электроды импульсов с двумя значениями энергии и напряжения. Процесс уничтожения сорняков предусматривает поочерёдный контакт каждого сорняка с электродами с обеспечением полного уничтожения растения согласно вышеописанному способу воздействий.

Технические реализации ЗУ целесообразно осуществлять в виде комплекта энергосберегающих электротехнологических средств, включающего источник высоковольтных импульсов (модульная конструкция с возможностью наращивания мощности за счёт подключения дополнительных модулей), комплект рабочих органов, специализированных для выполнения отдельных технологических операций, транспортную базу с автономным источником энергии (для автономных подвижных исполнений).

Выводы. Область эффективного применения электроимпульсных установок в экологически чистых процессах производства продукции полеводства и растениеводства достаточно широка. Использование электроимпульсных установок позволяет увеличить объемы усвояемых форм азота, фосфора, калия и других по лезных для растений питательных веществ непосредственно в почве, в которой они находятся в больших количествах, но в недоступном для растений виде и практически отказаться от внесения традиционных дорогостоящих минеральных удобрений. Значительный техникоэкономический эффект и снижение энергоемкости процесса обеспечивает использование электроимпульсных установок для борьбы с сорняками.

Характерными преимуществами электроимпульсных установок, по сравнению с другим технологическим оборудованием, являются их многостадийность использования, компактность, низкие энергозатраты при применении, экологическая чистота, высокая производительность.