Обоснование установки для предпосадочной обработки овощных культур

Введение. Известно, что хранение лука-севка при низкой температуре оказывает заметное тормозящее действие на дальнейший рост вегетативных частей растения, уменьшается число листьев и их величина, а, следовательно, и масса луковиц. Поэтому за 2-4 дня перед посадкой лук-севок прогревают конвективным способом при температуре 35-40^оС в течение 10-12 часов [1].

Известно, что электромагнитная обработка семян, по сравнению с другими методами, не сопряжена с трудоемкими и дорогостоящими операциями, не оказывает вредного воздействия на обслуживающий персонал (как, например, химическая обработка), является технологичным и автоматизируемым процессом. Электромагнитное воздействие легко и точно дозируется, является экологически чистым видом обработки, легко включается в существующие технологические линии подготовки семян в производственных условиях [2, 3]. Известно, что обработка лука-севка и клубней картофеля перед посадкой проводится во избежание низкой всхожести, поражения бактериями, интенсивного «стрелкования лука-севка» и т.п. Имеется способ предпосевной обработки лука импульсным электрическим полем [4].

Известен способ предпосадочной обработки лука-севка в электромагнитном поле высокой частоты [5]. При этом использовали высокочастотные установки (типа ВЧД, ЛГД) периодического действия с фиксированными частотами (27,12 МГц или 40,68 МГц), где рабочей камерой является высокочастотный конденсатор, выполненный из двух параллельно расположенных пластин. Автором доказан положительный эффект от воздействия электромагнитного поля высокой частоты.

Влияние микроволнового поля на овощебахчевые культуры исследовали ученые Украины на установке «Артемида» (2450 МГц, 1,6 кВт) в режимах от 30 до 180 с. В результате опытов выявлено, что всхожесть обработанных семян превышает контроль на 4-18 % в зависимости от культуры и исходных данных, что в определенной степени повышает их жизнеспособность. Но для обеспечения электромагнитной безопасности при работе высокочастотной установки в непрерывном режиме необходимо предусмотреть очень сложные узлы и прижимные контакты из меди.

Последнее время все больший интерес вызывает комплексное воздействие электрофизические параметров на семена с целью повышения их всхожести и снижения заражённости патогенной микрофлорой. Этот способ предпосадочной обработки овощей реализован в СВЧ установке с тороидальным резонатором, где предусмотрено комплексное воздействие таких электрофизических факторов как: электромагнитного поля сверхвысокой частоты (СВЧ генератор); коронного разряда, ультрафиолетовых лучей, озона (источник - ультратон или дарсонваль) и индукционного нагрева (индукционная плита) [6, Патент № 2703062 РФ]. При этом имеются недостатки. Собственная добротность тороидального резонатора недостаточно высока, что снижает КПД всей установки [7]. Самой высокой собственной добротностью обладает сферический резонатор (это отношение объема резонатора к площади поверхности сферы с учетом скин слоя, учитывающего уменьшение амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводящей поверхности резонатора). Другими словами, собственная добротность - это отношение запасенной энергии к энергии, поглощаемой за один период колебаний волн. Поэтому целью настоящей работы является разработка СВЧ установки со сферическими резонаторами для предпосадочной обработки овощей (лука-севка и клубней картофеля), где реализовано комплексное воздействие электрофизических факторов.

Материалы и методы исследования. Источниками килогерцовой частоты служили «Ультратон АМП -2 ИНТ» (частота 22 кГц) и «Дарсонваль» (частота 110 кГц) [8]. Источником СВЧ энергии являлись маломощные магнетроны разной марки с воздушным охлаждением. В многомодульной установке все магнетроны охлаждались от одного вентилятора через вентиляционные гофры. Вращение щеток осуществлялось от одного электродвигателя через передаточные механизмы. Теоретические исследования динамики нагрева сырья проводили с учетом изменения диэлектрических и теплофизических параметров лука-севка и клубней картофеля в процессе воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ).

Результаты и обсуждение. Для обеззараживания, активизации клеток посадочного материала и повышения посевных и продуктивных показателей нами предлагается проводить предпосадочную обработку в установке с источниками электромагнитного поля сверхвысокой частоты (СВЧ генераторы с воздушным охлаждением магнетрона) и электрогазоразрядными лампами, запитанными от генератора килогерцовой частоты. При этом происходит воздействие на сырье высокочастотного электрического тока. Этот переменный ток имеет синусоидальную форму, характеризуется высоким напряжением и малой силой. Важным эффектом ультратоновоздействия на сырье является бактерицидное действие озона.

Предлагается обрабатывать семена овощных культур перед посадкой комплексным воздействием электрофизических факторов, таких как: электромагнитное поле сверхвысокой частоты и коронный разряд, обеспечивающий ионизацию воздуха и озонирование. Реализация комплексного воздействия электрофизических факторов на сырье в непрерывном режиме возможна в сверхвысокочастотной установке со сферическими резонаторами, содержащими фторопластовые диски и запредельные волноводы, обеспечивающие соблюдение электромагнитной безопасности при передвижении сырья с помощью щеток через сферический резонатор.

Электрогазоразрядная лампа (заполненная аргоном или неоном), расположенная в объемном резонаторе, подключенная к источнику килогерцовой частоты, обеспечивает усиление коронного разряда и излучения бактерицидного потока ультрафиолетовых лучей.

Научной задачей является разработка многомодульной радиогерметичной установки непрерывного режима работы для предпосадочной обработки овощных культур со сферическими резонаторами, обладающими высокой собственной добротностью, обеспечивающими возбуждение электромагнитного поля сверхвысокой частоты, содержащими электрогазоразрядные лампы, подключенные к источнику килогерцовой частоты и позволяющие ионизировать и озонировать воздух за счет коронного разряда. Установка обеспечивает комплексное воздействие электромагнитного поля сверхвысокой частоты, бактерицидного потока УФ лучей и озонированного воздуха на сырье.

Установка (рис. 1) для предпосадочной обработки семян овощных культур комплексным воздействием электрофизических факторов в непрерывном режиме содержит сферические резонаторы 4, расположенные на круглом столе по периферии. Внутри каждого резонатора по горизонтальной оси жестко установлен фторопластовый диск 7, имеющий на периферии выгрузное отверстие 9. К нему с тыльной стороны диска прикреплен один конец гофрированного диэлектрического рукава 10, другой конец рукава соединен с нижним запредельным волноводом 11, расположенным с наружной стороны резонатора.

• 1    – полусферическая приемную емкость; 2 – направляющий сегмент с шаровым краном; 3 – верхние запредельные волноводы для направления сырья; 4 – сферические резонаторы;

• 5 – магнетроны; 6 – щетки; 7 – фторопластовые диски;

• 8    – электрогазоразрядные лампы; 9 – выгрузные отверстия в виде сегментов с заслонками; 10 – гофрированные диэлектрические рукава; 11 – нижние запредельные волноводы для выгрузки сырья;

12 – источники килогерцовой частоты; 13 – электродвигатель привода щеток; 14 – тара для приема обработанного сырья Рисунок 1 – Установка для предпосадочной обработки овощных культур комплексным воздействием электрофизических факторов

В углублениях дисков расположены электрогазоразрядные лампы 8, запитанные от источников килогерцовой частоты 12, прикрепленных с наружной стороны резонаторов. Над каждым жестко закрепленным фторопластовым диском 7 радиально установлена вращающаяся от электродвигателя 13 щетка 6 с диэлектрической основой и электропроводящими ворсинками.

С наружной стороны сферических резонаторов расположены магнетроны с излучателями, направленными внутрь. Магнетроны охлаждаются с помощью вентилятора. Каждый верхний запредельный волновод 3 одним концом соединен с соответствующим направляющим сегментом 2, имеющимся на основании полусферической приемной емкости 1, а другим концом – со сферическим резонатором. Открытые концы нижних запредельных волноводов направлены внутрь цилиндрической тары 14. В каждом направляющем сегменте 2 имеется шаровой кран, позволяющий дозированно подавать сырье в резонатор.

Технологический процесс предпосадочной обработки семян овощных культур комплексным воздействием электрофизических факторов в непрерывном режиме происходит следующим образом. Закрыть шаровые краны в каждом направляющем сегменте 2, позволяющие дозированно подавать сырье в сферический резонатор. Закрыть выгрузное отверстие в виде сегмента на фторопластовом диске 7 с помощью заслонки. Засыпать сырье (лук-севок, семенные клубни картофеля, размером не более 3-4 см) в полусферическую приемную емкость 1. Включить электродвигатель для вращения щеток 6. Открыть шаровые краны в направляющих сегментах 2. Сырье с помощью направляющих сегментов 2 дозированно попадает в верхние запредельные волноводы 3, далее в соответствующие сферические резонаторы 4, где рассыпается на фторопластовых дисках. Включить сверхвысокочастотные генераторы и источники килогерцовой частоты 12 (22 кГц или 110 кГц). В сферических резонаторах 4 возбуждается электромагнитное поле сверхвысокой частоты (2450 МГц), и загораются электрогазоразрядные лампы 8, возникает коронный разряд, обеспечивающий процессы ионизации и озонирования воздуха и излучение бактерицидного потока ультрафиолетовых лучей. Мощность потока излучений электрогазоразрядных ламп 8 в электромагнитном поле усиливается.

Сырье подвергается комплексному воздействию электрофизических факторов, эндогенно нагревается и обеззараживается. Открыть заслонки под выгрузными отверстиями 9 (не закрывать до окончания обработки всего объема сырья в приемной емкости 1). Обработанное сырье с помощью щетки 6 передвигается к выгрузному отверстию в виде сегмента. Далее через диэлектрический гофрированный рукав 10 и нижний запредельный волновод 11 выгружается в тару 14. Гофры на рукаве 10 способствуют передвижению сырья. Продолжительность нахождения сырья в сферическом резонаторе, а, следовательно, продолжительность воздействия комплекса электрофизических факторов регулируется частотой вращения радиально расположенной щетки 6 с диэлектрической основой и проводящими ворсинками, способствующими при соприкосновении к электрогазоразрядной лампой 8 усилению коронного разряда. За один оборот щетки над фторопластовым диском в пределах 0,5-1 кг лука севка подвергается комплексному воздействию электрофизических факторов и прогревается до температуры 28-32оС при мощности СВЧ генератора

800 Вт за 10-15 с. Что позволит проводить предпосадочную обработку лука-севка с помощью одного сферического резонатора производительностью 150-180 кг/ч.

В случае использования 4-6 резонаторов производительность установки достигает до 1 т/ч. Для теоретического исследования динамики нагрева посадочного материала необходимо анализировать диэлектрические параметры в зависимости от температуры и влажности; знать их насыпную плотность и удельную теплоемкость.

Анализировали диэлектрические характеристики картофеля на частоте 2400 МГц (рис. 2, 3).

Рисунок 2 – Диэлектрические характеристики картофеля в зависимости от температуры, при влажности 77,8%, сорт «Приекульский ранний»

Рисунок 3 – Диэлектрические характеристики картофеля в зависимости от влажности при температуре 20оС, сорт «Лорх»

Анализ показывает [9], что в интервале температур 20-75оС значение диэлектрической проницаемости уменьшается на 17%. Коэффициент поглощения также претерпевает изменения. В интервале температур от 30 до 60оС фактор потерь увеличивается на 19 %. Это объясняется тем, что при температуре выше 30оС начинается денатурация белков, сопровождаемая высвобождением влаги, а также тепловым движением полярных молекул, препятствующим их дипольной ориентации в электромагнитном поле [10]. Получены эмпирические выражения, описывающие зависимость диэлектрических параметров картофеля от температуры и влажности.

Анализированы теплофизические параметры, а именно удельная теплоемкость лука и картофеля для оценки его способности принимать, удерживать и накапливать тепловую энергию. Она зависит от температуры, например при температуре 20оС теплоемкость лука равна 3,77 кДж/кг∙оС, картофеля – 3,43 кДж/кг∙оС. Насыпная плотность лука-севка 490-520 кг/м3, картофеля 660-680 кг/м3.

Заключение.

По итогам исследования можно сделать следующие выводы:

• 1.    В разработанной конструкции объемного резонатора сырье нагревается равномерно благодаря равномерному распределению электромагнитного поля сверхвысокой частоты в сфере, обладающей высокой собственной добротностью и за счет перемешивания с помощью щетки, которая одновременно своими проводящими ворсинками поддерживает коронирование электрогазоразрядной лампы.

• 2.    Сырье подвергается комплексному воздействию электрофизических факторов, благодаря чему эндогенно нагревается и обеззараживается. Производительность установки регулируется за счет модулей и изменением мощности источников.

• 3.    Электромагнитная безопасность соблюдается за счет использования запредельных волноводов, размеры которых согласованы с длиной волны.

1SBEI HE "Nizhny Novgorod State Engineering and Economic University", Cniyginino, Russia