Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 7
1.1.Обоснование необходимости отделения микротравмированных семян зерновых культур для снижения потерь урожая 7
1.2.Анализ способов сепарации семян зерновых культур 16
1.3. Анализ способов физических воздействий на семена зерновых культур для изменения электрических свойств 21
1 4 Задачи исследования 27
2. Разработка теоретических положений процесса отделения микротравмированных семян зерновых культур от целых в электрическом поле 28
2.1 .Теоретическое исследование процессов зарядки и разрядки диэлектрической эллипсоидальной частицы в электрическом поле 28
2.2.Процесс разделения частиц на коронном электросепараторе 36
2.3. Расчет времени нагрева для изменения проводимости целых и микро травмированных семян зерновых культур в электрическом поле 42
2.4.Выводы по главе 45
3. Программа и методика экспериментальных исследований 46
3.1 .Программа исследований 46
3.2. Методика определения числа повторностей и обработки экспериментальных данных 46
3.3.Приборы и оборудование 53
3.4 Методика проведения экспериментов 55
3.5.Описание экспериментальной установки 57
4. Результаты экспериментальных исследований 62
4.1.Результаты экспериментальных исследований зависимости проводимости семян зерновых культур от влажности 62
4.2. Результаты экспериментальных исследований зависимостей изменения влажности целых и микротравмированных семян зерновых культур от времени нагрева 63
4.3.Результаты экспериментальных исследований зависимостей изменения проводимости целых и микротравмированных семян зерновых культур от времени нагрева 64
4.4.Результаты экспериментальных исследований зависимостей изменения углов отрыва целых и микротравмированных семян зерновых культур от времени нагрева 66
4.5.Результаты экспериментальных исследований процесса разделения целых и микротравмированных семян зерновых культур на экспериментальной установке 74
4.6.Выводы по главе 76
5. Рекомендации по созданию коронного электросепаратора семян зерновых культур 77
5.1 .Место в технологическом процессе 77
5.2.Расчет конструктивных параметров 79
5.3 .Требования по безопасности обслуживания 87
5.4.Выводы по главе 88
6. Экономическая оценка применения коронного электросепаратора семян в сельском хозяйстве ... 89
Выводы по главе 93
Основные выводы 94
Направление дальнейших исследований 95
Литература 96
Приложения 105
- Анализ способов физических воздействий на семена зерновых культур для изменения электрических свойств
- Расчет времени нагрева для изменения проводимости целых и микро травмированных семян зерновых культур в электрическом поле
- Методика определения числа повторностей и обработки экспериментальных данных
- Результаты экспериментальных исследований зависимостей изменения влажности целых и микротравмированных семян зерновых культур от времени нагрева
Введение к работе
Актуальность темы: Увеличение производства зерна было и остается одной из главных задач сельского хозяйства России. Для получения высоких урожаев необходимо высевать качественные семена зерновых культур, использовать современные технологии и высокопроизводительную надежную технику. Проблему повышения урожайности можно достичь двумя способами: созданием высокоурожайных сортов; производством и внедрением зерноочистительных машин, позволяющих отбирать самые качественные семена.
Основной причиной снижения всхожести и сохранности семян являются их микротравмы, нарушающие целостность поверхностных оболочек семян. Это позволяет воздуху, влаге и микроорганизмам свободно проникать во внутренние клетки семени.
Известно, что в убранном зерновом материале в среднем содержится 0,92% зерна с выбитым зародышем, 1,64% - с повреждённым зародышем, 8,44% - с поврежденной оболочкой зародыша и эндосперма, 1,1% - с поврежденным эндоспермом, 29,9% - с поврежденной оболочкой эндосперма, 10,1% - дробленого зерна, которое не может использоваться для посева [1].
Существующие способы сепарации зерна не позволяют проводить разделение микротравмированных и целых зерен. Поэтому возникла необходимость создания технологии и техники по отделению микротравмированных семян зерновых культур от целых. Это определило направление теоретических и экспериментальных исследований и послужило выбором темы диссертации.
Исследования проводились в соответствии с Межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001...2005 гг.: 01.02. «Разработать перспективную систему технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 года»; 02. «Разработать
5 новое поколение технологически безопасных ресурсосберегающих машинных технологий и создать комплекс конкурентоспособных технологических средств для устойчивого производства приоритетных групп сельскохозяйственной продукции», а также планом научно-исследовательской работы ЧГАУ на 2004.. .2009 годы.
Цель исследования. Исследовать процесс отделения микротравмированных семян зерновых культур от целых в электрическом поле. Разработать устройство, позволяющее отделять микротравмированные семена от целых.
Задачи исследования
Разработать способ разделения микротравмированных и целых семян зерновых культур с использованием электронно-ионной технологии.
Теоретически исследовать кинетику зарядки и разрядки зерна в электрическом поле и процесса отделения, которое позволяет учитывать физические параметры семян, и провести математическое моделирование данного процесса.
Разработать устройство, методику и программы экспериментальных исследований процесса отделения микротравмированных семян зерновых і культур от целых.
Экспериментально установить закономерности процесса отделения микротравмированных семян зерновых культур от целых и сравнить их с теоретическим описанием математической модели.
Объект исследования. Процесс сепарации микротравмированных и целых семян в электрическом поле коронного электросепаратора после их предварительной подготовки.
Предмет исследования. Закономерности процесса сепарации микротравмированных и целых семян в электрическом поле коронного электросепаратора после предварительной подготовки.
Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:
1. Предложена и подтверждена экспериментально возможность отделения микротравмированных семян зерновых культур от целых путем изменения проводимости семян.
Разработана математическая модель для обоснования конструктивных параметров устройства с учетом физических параметров среды, семени и подложки.
Уточнен критерий разделения семян зерновых культур для коронного электросепаратора с учетом особенностей впервые разработанного устройства.
Определены параметры нагрева для изменения поверхностного сопротивления семян зерновых культур.
Практическая ценность работы и реализация её результатов
Разработан способ предварительной подготовки семян к электросепарации в электрическом поле коронного разряда.
Разработан способ отделения микротравмированных семян зерновых культур от целых и устройство для его реализации.
Получено повышение посевных показателей качества оригинальных семян сорта Ирень (всхожесть повысилась с 92% до 97%).
Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований доложены и одобрены на ежегодных научно-технических конференциях ЧГАУ 2005-2009 гг., на всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых (г.Екатеринбург, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ в 2005-2006 гг.), на всероссийском совещании-выставке по энергосбережению (Екатеринбург, 20-21 марта 2007 г.). Получен акт производственной проверки результатов законченной научно-технической разработки ГНУ «Уральский НИИСХ», г.Екатеринбург от 31.03.09.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ общим объемом 12 печатных листов, в том числе два патента на полезную модель и один патент на изобретение РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 129 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц, 49 рисунок, 99 наименований литературы и 10 приложений.
Анализ способов физических воздействий на семена зерновых культур для изменения электрических свойств
Составные части зерна по степени водопроницаемости и водопоглоти-тельной способности могут быть размещены так: плодовая и семенная оболочки, эндосперм и алейроновый слой, зародыш. Вода проникает внутрь зерна по всей его поверхности, причем в наибольшем количестве вода поглощается зародышем и в наименьшем — бороздкой [14].
Изучая строение семян с точки зрения внешнего физического воздействия, необходимо учитывать способность переносить нагрузки без потери жизнеспособности.
На рисунке 1.10 приведена классификация физических воздействий, которые способны изменить электрическую проводимость и диэлектрическую проницаемость целых и микротравмированных семян таким образом, чтобы можно было произвести их разделение.
Основным способом сушки является нагрев зерна с последующим удалением влаги с поверхности. В процессе сушки необходимо учитывать допустимую температуру нагрева, при которой семена остаются жизнеспособными. Как показал патентный поиск, наиболее эффективной является комбинированная сушка: нагрев и вакуум, нагрев и озонирование, нагрев и активное вентилирование и т.д.
В зерне влага является средой, в которой происходят реакции обмена веществ. Если содержание влаги незначительно, она находится в связанном состоянии, её прочно удерживают белок и крахмал. Она не может перемещаться из клетки в клетку и почти не участвует в реакциях обмена веществ.
По, мере повышения влажности в клетках зерна появляется свободная влага, которая слабо связана с органическим веществом зерна и участвует в обмене веществ, легко переходит из клетки в клетку, участвует в реакциях гидролиза. Химически связанная вода не испаряется и не высушивается, она входит в химический состав вещества. Из зерна её можно удалить лишь в результате химических реакций. Физико-химически связанная вода - это влага набухания (белка, крахмала) и влага мельчайших капилляров [14].
Влажность, при которой в зерне появляется свободная вода, называется критической. С повышением свободной влаги повышается энергия дыхания зерна и развиваются микроорганизмы. Критическая влажность у зерна различных культур различна.
Критическая влажность дает представление о стойкости зерна при хранении. Сухое зерно основных злаковых культур, с влажностью до 14% включительно, устойчиво при хранении. Его можно хранить в насыпи большой высоты, что и практикуется при хранении. Наличие свободной влаги в зерне влияет на сохранность зерна, поэтому при размещении свежеубранного зерна на хлебоприемных предприятиях различают четыре состояния зерна и семян по влажности [16]: 1. сухое (до — вкл.) — 14,0% 2. средней сухости - 14,0.. .15,5% 3. влажное-15,5...17,0% 4. сырое (свыше) - 17,0% При производстве семян известны следующие способы нагрева: 1. Конвекционный нагрев; 2. Инфракрасный нагрев; 3. Нагрев с помощью ВЧ и СВЧ энергий; 4. Диэлектрический нагрев. Из вышеперечисленных способов нагрева нами были рассмотрены конвекционная, инфракрасная и с помощью СВЧ энергии. В статье [17] Лебедева СП., Бибикова Е.С., Олоничева В.В. «Снижение потерь энергии в процессах сушки семян сельскохозяйственных культур» приводится сравнительный анализ конвективный и СВЧ нагрев. В [17] описывается эксперимент, исследующий возможность рекуперации энергии, затрачиваемой на нагрев путём передачи тепла в камере нагрева от горячего воздуха, выходящего из сушильной камеры, холодными семенами, входящими в сушильную камеру, и наоборот, в камере охлаждения от горячих семян, выходящих из сушильной камеры, холодному воздуху, входящему в сушильную камеру (Рисунок 1.11).
Расчет времени нагрева для изменения проводимости целых и микро травмированных семян зерновых культур в электрическом поле
Электромагнитная энергия преобразуется в тепловую, в клетках зерен пшеницы, при этом удаляется влага изменяется проводимость семян. Был исследован процесс выделения влаги из зерен пшеницы твердых сортов Сид-88 в электромагнитном поле, с сохранением жизнеспособности семян. В основе расчета процесса сушки семян был принят расчет, позволяющая вычислить время воздействия при заданных энергетических параметрах электромагнитного поля, приведенной в [27]. Процесс поглощения энергии растительной клеткой условно можно разделить на два этапа: 1. изобарный (вначале), когда энергия, воспринятая молекулами воды -в клетке, вызывает увеличение внутренней энергии и приводит к некоторому увеличению объема клетки; 2. изохорный, когда объем клетки фиксируется клеточными стенками, вследствие чего энергия преобразуется в условиях постоянного объема. При изохорном процессе поглощения тепла объемом клетки вызывает существенное повышение давления. Повышение давления приведет к стремлению жидкости выйти из клетки через поры плазматической мембраны. Возникающие в этом случае массовые потоки способны вызвать деструкцию пор, вследствие чего произойдет угнетение семян [27]. Для расчета параметров отклика растительной клетки на электромагнитное воздействие была построена следующая модель: Энергия, поглощенная клеткой в течение изобарного процесса, переходит в теплоту Q, которая расходуется на изменение внутренней энергии AU = MCPAt и совершение деформационной работы А-РЬУ [27]:
Изменение объема клетки AV в этом процессе ограниченно пределом, сжатия клеточных стенок. Максимальное уменьшение их толщины (0,3-Я),5мкм) не может превышать 10%. Тогда, если первоначальный объем клетки: V0 =4,194-10 12 ЛІ3, то конечный может составить: VK = 4,194-10"12л/3. Увеличение объема клетки связано с температурным расширением воды по линейному закону, из которого можно вычислить повышение температуры в клетке [27]: где коэффициент температурного расширения Р - известная величина. Так для воды при 20С: /?= 1,82-10"4, 1/К. Таким образом, температура клетки повысится на 6,3С. Для того, чтобы определить время обработки, за которое произойдет это повышение температуры, воспользуемся формулой [27]: где Q — количество тепла, поглощенное клеткой; г- время нагрева; V— объем1 клетки; 1уд — удельная мощность. Зная диэлектрическую проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь, напряженность электрического поля и частоту колебаний электромагнитного поля, можно рассчитать удельную мощность [29]: где со — угловая частота; є% - диэлектрическая проницаемость среды; tgS— тангенс угла диэлектрических потерь; Е - напряженность электрического поля. Таким образом, можно сказать, что часть уравнения (2.38) Е — описывает внешнее поле, a 6os sQtg5 - описывает электрические свойства зерна. В совокупности они дают энергию электрического поля, которая выделяется в единице объема диэлектрической среды. Учитывая формулы (2.35) и (2.37), зависимость для определения максимального времени обработки можно привести к виду: Время обработки зависит от диэлектрических свойств материала и параметров поля. Если принять параметры поля неизменными, то допустимое время будет зависеть от диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь семян. На рисунке 2.11 приведена зависимость допустимого времени нагрева от частоты электромагнитного поля. электромагнитного поля: 1 - зависимость допустимого времени нагрева от частоты; 2 - зависимость фактора потерь энергии электромагнитного поля в воде Как видно из рисунка 2.11, с увеличением частоты электромагнитного поля происходит уменьшение времени нагрева. Для диапазона частот электромагнитного поля определяется диапазон времени нагрева. Максимальный фактор потерь в воде говорит о максимальной эффективности нагрева энергией, электромагнитного поля. Чем выше фактор потерь, тем больше воспринимается энергии водой. Оптимальное время нагрева семян зерновых культур в электромагнитном поле находится в пределах от 5 до 50 секунд.
Также можем определить диапазон частот электромагнитного поля, при котором фактор потерь энергии в воде максимальный: от 8-Ю9 до 6-Ю10 Герц. 1. Анализ зависимостей кинетики зарядки и разрядки семян зерновых культур показывает, что время сохранения заряда зависит от проводимости семян, а проводимость зависит от влажности, при заданном времени экспо зиции семена различной влажности будут иметь разные заряды. 2. Смесь семян зерновых культур с различной влажностью возможно разделить с использованием поля коронного разряда на вращающемся ци линдрическом электроде. Наибольшая четкость разделения будет достигнута при угле а=180 . 3. Анализируя зависимости (рисунок 2.11), можно сделать вывод, что оптимальное время нагрева семян зерновых культур в электромагнитном поле находится в пределах от 5 до 50 секунд. Также можем определить диапазон частот, при котором фактор потерь энергии в воде максимальный: от 8-109 до 6-1010 Герц. 4. Теоретически определены пределы изменения проводимостей, при которых возможны процессы разделения смеси из целых и микротравмированных семян.
Методика определения числа повторностей и обработки экспериментальных данных
Экспериментальные исследования должны отвечать требованиям достоверности и точности, для этого необходимо несколько раз проводить один и тот же опыт. В исследовательской практике приходится иметь дело с двух ступенчатой схемой организации эксперимента, например: в одних и тех же условиях проводится пі повторных опытов, а в каждом опыте - п2 повторных измерений выходной величины. В этом случае возникает необходимость выбора уже не одного, а двух значений повторностей: rij и п2. Расчетные формулы должны быть преобразованы для частного случая неограниченной генеральной совокупности. Это связанно с тем, что данные эксперимента могут рассматриваться как статистическая выборка из гипотетически мыслимой совокупности результатов бесконечно повторяемых в тех же условиях опытов (наблюдения, измерений). Таким образом, оптимальные значения повторностей определяются по формуле [30]: где S/, S2 — средние квадратические отклонения, характеризующие рассеяние между единицами соответственно первой и второй ступеней; 3j, 32 — затраты на реализацию одной единицы соответственно первой и второй ступеней эксперимента. Общие затраты на реализацию всего эксперимента при этом равны: Оптимальное значение п2 находится по формуле: Генеральные значения дисперсий S? и 522 чаще всего бывают неизвестны. В этом случае следует провести предварительный эксперимент с целью получения выборочных значений вышеуказанных дисперсий. Рассмотрим упрощенную процедуру оценки дисперсий 5,2 и 522 на примере двухступенчатой схемы «опыт-измерение». Сначала проводится один опыт с К2 измерениями и вычисляется оценка дисперсии Si: где ХЛ] - результату-го измерения; Хх = — среднее значение результа тов измерений. Затем проводится Kj опытов с одним измерением в каждом опыте вычисляется оценка дисперсии Si где X, - результат измерения в z-ом опыте; среднее значение X = К, Дисперсия Si характеризует как разброс результатов между опытами (в чистом виде), так и разброс средних значений результатов измерений, т.е.: 502=5,2+522, (3.6) отсюда Итак, для определения оптимального числа повторностей при двухступенчатой схеме эксперимента рекомендуется следующая методика: 1. в предварительном эксперименте оценивают дисперсию по формулам (3.4)...(3.7); 2. определяются затраты на реализацию одного опыта (без измерения) 3] и на организацию одного измерения З2 , эти затраты могут быть выражены в любых удобных, одинаковых единицах: времени, стоимости и т.д. 3. рассчитывается щопт по формуле (3.1) и п1опт по формуле (3.3); 4. в случае, если пУоптхп2опт 100, тогда п2тт округляется до целого, а п\опт эти условия отвечают требованиям ГОСТ 10839-64. После того как определены щтт и п2опт, проводят опыты, данные обрабатываются в соответствии с ГОСТ Р ИСО 5725-2002. Определение стандартного отклонения повторяемости, стандартного отклонения воспроизводимости и смещения выполнялось в соответствии ГОСТ Р ИСО 5725-2-2002. Применительно к настоящей работе вышеуказанного стандарта, все данные обрабатывались по схеме (рисунок 3.1) [31]:
В ходе проведения экспериментов, необработанные данные заносятся в таблицы. Перед статистическим анализом рекомендуется сделать графическое отображение необработанных данных. Этот способ позволяет получать наглядную картину результатов. В результате визуального анализа графического отображения необработанных данных можно получать много информации і I и устанавливать мгновенную оценку разброса данных. Следовательно, можно сделать предположения о наличии выбросов или можно выявлять необычные различия в конкретных уровнях исследования простым визуальным осмотром соответствующего графического отображения данных. На основании визуального анализа может быть выбран следующий способ статистического анализа графики h и к тестовых статистик Манделя. Для конкретного исследуемого уровня выборочные средние, используют для вычисления единственного общего выборочного среднего. Это значение затем используют для вычисления /z-статистики Манделя всех данных этого уровня. Эта статистика определена в ИСО 5725-2, уравнение представляет собой отношение разности среднего для конкретного набора данных и среднего всех наборов данных и стандартного отклонения средних по всем наборам данных. Это значение затем наносят на график и сравнивают с вычисленными или табулированными значениями отношений для 95% и 99% уровней доверия. Затем ту же процедуру используют для вычисления h-статистики Манделя для всех данных всех других уровней. Необходимо отметить, что могут быть получены положительные и отрицательные значения. Для конкретного исследуемого уровня стандартные отклонения, полученные для всех данных, используют для вычисления среднего стандартного отклонения или объединенного единственного стандартного отклонения.
Это значение затем используют для вычисления -статистики Манделя для всех данных этого уровня. Эта статистика определена в ИСО 5752-2, уравнение представляет собой отношение стандартного отклонения результатов к среднему или объединенному стандартному отклонению.
Результаты экспериментальных исследований зависимостей изменения влажности целых и микротравмированных семян зерновых культур от времени нагрева
Измерение влажности микротравмированных и целых семян зерновых культур при СВЧ воздействии проводилось в соответствии с методикой изложенной в 3.4. На рисунке 4.2 представлена зависимость изменения влажности от времени нагрева для целых и микротравмированных семян зерновых культур.
Наибольшую скорость изменения влажности имеют семена зерновых культур у которых оболочки повреждены по всей поверхности (рисунок 4.2), а наименьшую - семена с целыми оболочками. Например, если время нагрева 40 секунд, то при этом у целых семян (кривая 1) влажность уменьшится по отношению к семенам с оболочками поврежденными по всей поверхности (кривая 5) с 12,8% до 10,8% с величиной разброса 0,1%. Разброс значений влажности не перекрывает друг друга для времени 40 секунд, это позволяет говорить о достоверности результатов.
До нагрева семена имеют неразличимые проводимости. Чем продолжительнее время нагрева, тем четче различие, тем сильнее раздвигаются кривые распределения вероятностей. В свою очередь, время нагрева ограничивается физиологическим влиянием электромагнитного поля на живой организм семян зерновых культур.
Перед измерением проводимости микротравмированные семена зерновых культур были разделены на следующие категории: повреждены оболочки зерна около зародыша; повреждены оболочки зерна около зародыша и на спинке или около бороздки; оболочки зерна повреждены по всей поверхности зерна; оболочки зерна сморщенные, то есть не имеют видимых разрывов. В зависимости от вида микротравмы, интенсивность влаговыделения будет различной для этих категорий. Зависимость проводимости семян зерновых культур от времени нагрева для разных категорий микротравм приведена на рисунке 4.3. Изменение проводимости (рисунок 4.3) более интенсивно идет у семян зерновых культур 3 и 4 категорий, для целых семян — самая минимальная скорость изменения сопротивления.
Например, при времени нагрева 40 секунд, проводимость целых семян зерновых культур равна ух =3,16-10-12Си, а семян с поврежденными оболочками по всей поверхности /4 =1,58-10-13См. Если посмотреть зависимость изменения влажности от времени нагрева (рисунок 4.2) для целых (кривая 1) и травмированных (кривая 5) семян, а затем зависимость изменения проводимости от влажности (рисунок 4.1), тогда можно увидеть, что значения прово-димостей совпадают. Изменение проводимости семян с учетом разброса параметров достоверное. Разброс значений проводимости не перекрывает друг, что позволяет говорить о достоверности результатов. Таким образом получается, что целые семена зерновых культур в меньшей степени меняют проводимость, а наибольшее изменение присутствует у тех семян, чьи оболочки наиболее повреждены. На основании этого факта подтверждается возможность разделения целых и микротравмированных семян зерновых культур по степени микро-травмированности.
Учитывая проводимость семян зерновых культур, внутреннюю влажность, зная которую определяем проводимость внутренних частей семян, можно уточнить расчетные силы по математической модели предложенной в третьей главе. Сравнив расчетные и полученные углы отрыва семян от поверхности транспортерной ленты, получим достоверность математической модели, а также поправку на реальные условия.
Разделение целых и микротравмированных семян зерновых культур проводилось в.соответствии с программой экспериментов, для одной общей цели всей работы: разделить целые и микротравмированные семена зерновых культур, для увеличения урожая.
Проводимые эксперименты обрабатывались в соответствии ГОСТ Р ИСО 5725. Полученные результаты экспериментов представлены в приложении 3. Сплошной линией обведены точки, для которых значение h- и к-статистики выше 1% уровня табличного значения. Пунктирной линией обведены точки, для которых значение h- и k-статистики выше 5% уровня, но ниже 1% уровня табличного значения. Из общей совокупности точек убираются значения, которые не проходят по критерию Кохрена, критерию Граб-бса и h- и k-статистики Манделя.
В результате отбрасывания «непроходных» точек, значения оставшихся точек обобщены вероятностными кривыми, которые приведены на рисунках 4.4-4.11.
