Совершенствование процессов наружной сушки насыщенных водой семян и нанесения на них влагозащитного покрытия

Введение . Процессы появления всходов зерновых культур в осенний период зависят в большой степени от наличия влаги в пахотном слое почвы, обеспечивающем достаточное поглощение воды для прорастания семян. У пшеницы озимых сортов это поглощение воды осуществляется до 48%-ной относительной влажности. Недостаточное количество влаги в семенах приводит к неизбежным задержкам всхожести их и недостаточному развитию растений до наступления зимних заморозков [2, 4, 11, 13,

• 14]. Нередко это вызывает гибель посевов и необходимость весеннего их пересева.

Резкие изменения климата в регионах страны и в ряде зарубежных стран способствуют этим потерям, нарушению принятых сроков посева и сокращению урожайности озимых культур [8, 9]. Решению возникших вопросов посвящены работы многих учёных, предложения которых сводятся к увлажнению семян перед посевом до насыщения их водой. Однако посев таких семян в условиях засухи не устраняет потери значительной части запасённой в них влаги в почву, что приводит к снижению эффективности предложенных разработок и определяет актуальность наших дальнейших исследований по совершенствованию процессов предпосевной подготовки семян в условиях наступившей аридизации климата [8, 10]. Среди таких исследований и предлагаемые нами в отношении операций наружной сушки насыщенных водой семян и нанесения на их поверхность защитного плёночного покрытия, что устраняет потери впитавшейся влаги из семян в окружающую их почву после посева [4, 8, 9].

Материалы и методы исследований . Исследования проведены в лабораторных условиях в Азово-Черноморском инженерном институте, представляющем филиал ФГБОУ ВО Донской ГАУ, а в хозяйственных условиях на полях ЗАО «СКВО» Зерноградского района Ростовской области. Опыты проведены на семенах мягкой пшеницы сортов Гром и Донская юбилейная. Технология подготовки их к посеву включала увлажнение до полного насыщения водой с включением растворов защитных и стимулирующих препаратов, наружную сушку и покрытие их влагозащитным слоем. В хозяйственных условиях для насыщения семян влагой использовался один из бункеров зерноочистительного агрегата марки ЗАВ-40, который свободен от нагрузки прямого назначения в период посева озимых зерновых культур [4, 8].

Следующие операции обработки семян по сушке их наружной поверхности и покрытия влагозащитным материалом [4, 9] представляются также важными в технологии подготовки их непосредственно к посеву. Известные технические решения в этом направлении требуют совершенствования в части совмещения этих операций в одной машине или устройстве. Интересны в этом направлении устройства на основе распыления материала защитного покрытия на семена [1, 12], в том числе и предложенное нами устройство в виде решётного стана для предпосевной обработки семян .

В известных решетных зерноочистительных устройствах производится только разделение зернового материала на фракции, как и в устройстве для сортировки зерна на фракции (патент № 2183514 В07В4/08; А01Ғ12/44), содержащем решётный стан, загрузочный бункер, воздушноочистительную часть с вентилятором и поддон для сбора обработанного продукта. На них вполне возможна и наружная сушка увлажнённых семян.

К недостаткам таких устройств необходимо отнести невозможность совмещения в одном и том же устройстве операций наружной сушки насыщенных водой семян и покрытия их слоем влагозащитного материала.

В предложенном нами решётном стане, представленном на рисунке 1, совмещение указанных технологических операций обеспечивается в пределах движения на нём насыщенных водой семян. Для этого подрешётное пространство его разделено на две зоны каналами воздуховода. Одна из них, начинающаяся в месте подачи семян на решето, служит для наружной сушки семян потоком нагретого воздуха, а другая предназначена для выполнения операции нанесения на них влагозащитного покрытия. Что осуществляется установленными над решетом в этой зоне распылителями расплавленного материала покрытия, в роли которого могут использоваться парафин или воск.

Предложенный решётный стан содержит решето 1 с размерами ячеек 2 меньше размеров насыщенных водой семян, привод 3 в колебательные движения решета, бункер 4 для подачи семян на решето, вентилятор 5, воздуховод в составе каналов 6 и 7 с заслонками 8 и 9, распылитель 10, бачок 11 с нагревателем 12 и ёмкостью 13 для подачи материала покрытия в него, насос 14, трубопровод 15 ожиженного материала покрытия к распылителю 10 или группе распылителей и поддон 16 сбора подготовленных к посеву семян. Решето 1 оборудовано подвесками 17 и 18. Каналами 6 и 7 возду- ховода решето 1 разделено на зоны А и Б, одна из которых служит для наружной сушки семян, а вторая (зона Б) для обработки их нанесением защитного покрытия. В канале 6 установлен нагреватель 19, а в канале 7 под зоной Б решета 1 образована полость 20 с наклонной стенкой 21. При этом полость 20 решётчатой перегородкой 22 отделена от канала 7, а трубопроводом 23 соединена с бачком 11 для расплавленного в нагревателе 12 материала покрытия семян.

Рисунок 1 – Схема экспериментального решетного стана для предпосевной обработки насыщенных водой семян

Figure 1 – Scheme of an experimental sieve mill for pre-sowing treatment of water-saturated seeds

При работе решётного стана насыщенные водой семена из бункера 4 подаются на колеблющееся приводом 3 решето 1. На поверхности участка зоны А колеблющегося решета 1 семена в потоке тёплого воздуха от вентилятора 5 наружно подсушиваются. Скорость воздуха при этом должна быть ниже скорости витания семян. После наружной сушки семена поступают далее в зону Б решета. В этой зоне семена проходят под факелом распыла 24 материала покрытия и покрываются снаружи его плёнкой. В качестве такого материала в опытах использованы легкоплавкий парафин П-2 или минеральный воск. Влагозащитному покры- тию здесь способствуют колебания семян с отрывом от плоскости решета 1 при движении, а охлаждению его – поток холодного воздуха из-под решета 1 в зоне Б обработки семян. После этого обработанные семена поступают в поддон 1 для накопления их перед отправкой на посев. Прошедшие через ячейки 2 решета 1 остатки жидкого материала покрытия стекают в полость 20 канала 7 и далее по наклонной стенке 21 и трубопроводу 23 в бачок 11, в котором снова нагреваются и насосом 14 нагнетаются к распылителю 10. В каналах 6 и 7 потоки воздуха регулируются с помощью заслонок 8 и 9.

Обработка семян под факелом распыла позволяет получить на поверхности семени плёночное покрытие толщиной в несколько микрон. Исследуемый процесс обеспечивает защиту впитавшейся в семя воды после посева от возможных потерь её в иссушённую почву. При этом вода в семени после посева обеспечивает активизацию в нём процессов прорастания независимо от степени увлажнения почвы в слоях заделки семян и появления осадков.

Результаты исследований. В практике возделывания зерновых, к их числу относится и пшеница, по строению семя представляется пористым коллоидно-капиллярным телом [1, 12]. Оно пронизано во всех его частях капиллярами, многочисленными каналами, в нём находятся также различные трещины и поры, заполненные атмосферным воздухом, который мешает процессу поглощения влаги семенем. Часть воды при этом накапливается в оболочке и алейроновом слое зерновки семени, другая часть её идёт на заполнение объёмов, образованных мелкими каналами, микротрещинами и порами. Процесс насыщения семени водой сопровождается диффузией её в семя. Расход её W может быть определён по зависимости

W = W - W = G . ^m 2   ^m 1

^{2    1    1} 100 - m 2

кг, (1)

где W 1 – содержание воды в семенах перед увлажнением, кг ;

W 2 – влагосодержание насыщенных водой семян, кг ;

G 1 – масса семян до увлажнения, кг ;

m i - относительная влажность увлажняемых семян, %.

m - влажность семян после насыщения водой, %.

В предложенной технологии предпосевной подготовки семян для поверхностной сушки после насыщения их влагой и растворами защитных препаратов используется вентилирование потоком тёплого воздуха, подаваемого под поток их на колеблющемся решете. Это обеспечивает постоянную сме- ну воздуха в движущемся слое семенного вороха. Для определения скорости влаго-удаления gm в таком потоке семян известна формула [4, 8]:

g m = 0,14 ( 1 + 0,72и в ) . ( p c - Р ср ) , (2) где р с и р ср – парциальные давления, создаваемые паром на семени и в окружающем воздухе, Па;

u в – скорость потока воздуха, м/с.

Теоретическая длительность наружной сушки всех семян, имеющих количество Wпл воды на их поверхности, определяется по выражению tc = -п^ч. (3) gm

В задачи вентилирования на решётах установки входит лишь удаление поверхностной влаги с семян. Это достигается использованием подогретого до температуры не более 45 °С атмосферного воздуха.

Предлагаемая технология предпосевной обработки семян содержит и не менее важную заключительную операцию по нанесению на их поверхность защитного покрытия, устраняющего потери влаги в иссушён-ную почву. Анализ известных способов и устройств для нанесения на сельскохозяйственную продукцию защитных покрытий показал, что наибольшее распространение получило распыление ожиженного материала покрытия на её поток [3, 5, 6, 7]. Целесообразно применение его и в технологической операции обработки семян. Учитывая, что по законам гидродинамики расход жидкого материала покрытия по длине потока представляется величиной постоянной, для объемного расхода его через отверстие жиклера в распылителе на обработку семян известно выражение

Q = S' . v , м 3 /с, (4) где v – скорость истечения жидкости из жиклера, м/с ;

S – площадь отверстия этого жиклёра, м² .

Для круглого отверстия жиклера площадь сечения составляет:

5 = 0,785 - d O;me , м 2 , (5) где d отв – диаметр выходного отверстия жиклера в распылителе, м.

На выходе распылитель раздробляет жидкий материал покрытия семян, образуя факел распыления капель различных размеров [6, 7, 8]. Эффективность покрытия семян влагозащитным слоем зависит от качества его распыления, размеров и конфи- гурации факела распыла, распределения капель по сечению факела и обрабатываемого семени.

Скорость капель, подаваемых на семя распылителем, зависит от размеров каждой капли, возрастая с повышением радиуса R капли по данным таблицы почти на 10 см/с на каждые 10 мкм увеличения её радиуса.

Скорость v 0 подачи капли парафина из распылителя П-2 на семя в зависимости от её радиуса R при температуре плавления его 85 ° C

The rate v 0 of paraffin droplet supply from the P-2 sprayer to the seed, depending on its radius R at its melting point of 85 ° C

R , мкм	20	40	60	100	200	300	400
v 0 , см/с	3,5	20,3	34	75	170	265	348

Под потоком капель на семени мгновенно повышается концентрация, коагуляция и дробление крупных капель при ударе, изменяется и спектральное их распределение на семени. Не исключён при этом и унос мелких капель в сторону, что ухудшает нанесение на семя влагозащитного покрытия. Крупные капли осаждаются на семени лучше и прочнее, чем мелкие, однако имеется предел их размера, после которого процесс покрытия их защитным слоем ухудшатся или может вообще нарушиться.

Качество работы распылителя в опытах определялось измерением углов факела распыла материала покрытия семян по схеме на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема к определению параметров факела распыления материала влагозащитного покрытия семян

Figure 2 – Scheme for determining the parameters of the spray torch of the material of the moisture-proof seed coating

Угол распыления и симметричность получаемого факела относительно оси отверстия сопла в распылителе измеряли при помощи угломера. Половинные углы факела распыла a i и а 2 определяли по зависимостям:

LL tg ^a i = 1 ;tg ^a 2 = 2 ,

HH

где L 1 и L 2 – основания в прямоугольных треугольниках по рисунку 2;

H – расстояние от сопла распылителя до измерительной линейки.

Угол факела распыла соответствовал сумме полученных углов а 1 и а ₂ .

Продолжительность обработки семян нанесением влагозащитного покрытия обусловлена затратами времени на прохождение потоком семян факела распыла при их движении на решете исследуемой установки и может быть определена по зависимости

T = L+L2-, с, (7) vc где vc – скорость семени при движении по решету, м/с.

Полученные в экспериментах данные хорошо согласуются с расчётными по полученным зависимостям. Так, показатели расхода парафина по данным опытов на защитное покрытие одной тонны семян находятся в пределах 40–50 г , а воска – 50–60 г, что разнится с теоретическими данными на 4%. Это обеспечивается использованием распылителя с пластиковым соплом диаметром 1,1 мм при давлении материала покрытия 0,3 МПа. Производительность решётного стана для влагозащитной обработки семян составляет до 10 т/ч . Угол распыла при этом образуется около 45 ° , а средний диаметр капель – 70 мкм, что даёт возможность получения толщины покрытия на семени в пределах 50–60 мкм .

В распылителе, обеспечивающем по рисунку 2 Н = 150 мм , L 1 + L 2 = 300 мм , длительность воздействия на семя температуры нагрева материала защитного покрытия не превышает одной секунды, что может повысить температуру нагрева его зародыша до 45 ° С и не представляет опасности повреждения его перед посевом.

Выводы. По результатам анализа производства зерна установлено, что в зонах возделывания озимых культур посев их в последние годы нередко сопровождается длительной сухой погодой, всходы к зимнему стоянию разрежены и ослаблены, из-за чего заметно снижается урожайность и неизбежны существенные убытки.

В предлагаемой технологии предпосевной обработки семян озимых культур в условиях аридизации климата одними из важных операций являются предварительная наружная сушка насыщенных влагой семян и нанесение на их поверхность влагозащитного покрытия, что создаёт после посева условия, исключающие потери воды из семян в сухую почву.

Предложено совмещение указанных обеих технологических операций и проведение их на решётном стане, оборудованном участками обработки семян потоком тёплого воздуха и нанесения покрытия в факеле распыления наносимого материала. Для определения параметров линии наружной сушки семян и нанесения на их поверхность влагозащитного покрытия получены основные расчётные зависимости. Приведены значения основных параметров предложенного решётного стана в расчёте на производительность его до 10 т семян в час.