Содержание к диссертации
Введение
1. Сущность проблемы обеззараживания почвы в защищенном грунте 14
1.1. Краткое описание возбудителей болезней и вредителей овощных культур в защищенном грунте 15
1.2. Классификация тепличных почв применяемых в защищенном грунте 18
1.3.Анализ существующих способов и технических средств обеззараживания почвы 22
2. Теоретические исследования энергетиче ских способов обеззараживания почвы
2.1. Исследование процесса обеззараживания почвы токами ВЧ и СВЧ 59
2.2. Исследование процесса обеззараживания почвы электродным способом 69
2.2.1. Расчет электродных нагревателей почвы 69
2.2.2. Математическая модель температурного поля почвы при электродном нагреве переменным источником тепла 74
2.2.3. Математическая модель нагрева почвы равномерно распределенным по объему источником тепла 76
2.2.4. Исследование влияния схемы включения электродов на электрические параметры электрообеззараживателя 81
2.3. Исследование «шатрового» способа обеззараживания почвы... 94
2.3.1.Физическая модель «шатрового» способа нагрева почвы... 94
2.3.2.Исследование движения фронта конденсации пара в почве при подаче пара на поверхность ; 100
2.3.3.Математическая модель температурного поля при «шатро вом» способе 106
2.4. Исследование процесса обеззараживания почвы при подпочвенном способе подвода пара 117
2.4.1. Физическая модель процесса нагрева почвы и методика расчета перфорации рабочих органов для подвода пара . 118
2.4.2. Исследование температурного поля почвы при термоэлектрическом способе нагрева движущимся источником тепла 122
2.4.3. Математическая модель изменения температуры слоев почвы после нагрева 127
2.4.4. Математическая модель формирования температурного поля в измельченной почве и комке при обеззараживании 133
3. Экспериментальные исследования энергетических способов обеззараживания почвы
3.1. Методика определения оптимальных энергетических режимов обеззараживания почвы от вредителей и возбудителей болезней овощных культур в защищенном грунте 141
3.2. Результаты исследований энергетических режимов при различных способах обеззараживания почвы 149
3.3. Результаты исследований нагрева почвы токами ВЧ и СВЧ 158
3.4. Исследование энергетических режимов обеззараживания почвы электродным способом 163
3.4.1. Методика и результаты исследований температурных и электрических параметров почвы при электродном нагреве 163
3.4.2. Методика и результаты исследований удельного электрического сопротивления тепличной почвы от влажности, плотности и температуры 187
3.4.3. Результаты исследований влияния схемы включения электродов на энергетические параметры электрообеззараживателя... 191
3.5. Исследование термического "шатрового" способа обеззаражи
3.5.1. Методика и результаты исследований нагрева слоя почвы "шатровым" способом в зависимости от способа механиче ской обработки, давления подводимого пара, температуры, глубины слоя массива и времени 196
3.5.2. Методика и результаты исследований зависимостей коэф фициентов теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости от температуры, плотности и влажности почвы 204
3.6. Исследование температурного поля почвы при подпочвенном способе подачи пара 212
3.6.1. Результаты исследований режимов обеззараживания при различных способах механической обработки и подвода пара... 212
3.6.2. Результаты исследований формирования температурного поля в почве при различных способах перфораций рабочих органов.. 214
3.6.3. Методика и результаты исследований скорости движения зоны конденсации пара от избыточного давления и влажности почвы 224
3.6.4. Определение времени нагрева почвы до летальной температуры от избыточного давления подводимого пара, глубины обработки и влажности почвы 229
3.6.5. Методика и результаты исследований зависимостей ко-эфициентов паропроницаемости, паропроводимости и расхода пара от его избыточного давления и влажности почвы 230
3.6.6. Результаты исследований теплообмена в измельченной почве и комке при обеззараживании.: 240
3.6.7. Методика и результаты исследований температурного поля при послойном способе подвода пара в почву 242
4. Проверка результатов энергетического обеззараживания почвы в производственных условиях
4.1. Методика проверки и результаты испытаний установок для энергетического обеззараживания почвы в защищенном грунте 248
4.2. Результаты исследований электрического потенциала почвы при эксплуатации электрообеззараживателей 259
4.3. Методика и результаты исследований реакции среды и окис-лительно-востановительного потенциала почвы после термоэлектрического обеззараживания 263
4.4. Результаты исследований агрохимических свойств почвы после электротермического обеззараживания - 267
5. Технико-экономическая оценка способов и технических средств обеззараживания почвы в защищенном грунте
5.1. Эффективность химического способа дезинфекции почвы 269
5.2. Эффективность электродного способа и установки для обезза раживания почвы 272
5.3. Эффективность «шатрового» способа обеззараживания почвы. 274
5.4. Эффективность подпочвенного способа и установки обеззараживания почвы 276
5.5. Эффективность термоэлектрического способа и установки обеззараживания почвы 280
Выводы и рекомендации 284
Список использованной литературы 289
Приложения 317
- Классификация тепличных почв применяемых в защищенном грунте
- Исследование процесса обеззараживания почвы электродным способом
- Результаты исследований энергетических режимов при различных способах обеззараживания почвы
- Результаты исследований электрического потенциала почвы при эксплуатации электрообеззараживателей
Введение к работе
Важное значение для удовлетворения потребности населения в овощах имеет овощеводство защищенного грунта. Овощи содержат ценные питательные вещества, витамины и минеральные соли, необходимые для человека. Отмечая важную физиологическую роль овощей в питании, великий русский физиолог И.П. Павлов писал: «Человек может продлить свою жизнь, по меньшей мере, на одну треть, если он ежедневно будет питаться свежими овощами». Средняя годовая норма потребления овощей на человека, рекомендованная Институтом питания Академии наук РФ, составляет 146 кг. При этом удельная доля капусты белокочанной достигает 25...28 кг, цветной 4...6, помидоров 25...38, моркови 6...10, свеклы 6...8, огурцов 8...10, кабачков, баклажанов 6...9, зеленого горошка 6...8, прочих овощей 9...14.
Потребление овощей должно быть равномерным в течение года. Однако климатические условия в России таковы, что из открытого грунта до 1 августа поступает 10...11% всех овощей, в том числе 30% огурцов и 10% томатов, в августе - сентябре поступает 70% огурцов и 60% томатов. Чтобы обеспечить население овощами в течение всего года, в сооружениях защищенного грунта должно выращиваться не менее 25% всего количества овощей. Кроме того, задача защищенного грунта - обеспечить открытый грунт ранней и здоровой рассадой.
Однако эта отрасль сельского хозяйства является самой энергоемкой. В себестоимости овощной продукции защищенного грунта расходы на энергетику, в зависимости от зоны страны и периода эксплуатации, достигают 50% и более от общих расходов. Тепличные условия, благоприятные для получения высоких урожаев, способствуют развитию вредителей и возбудителей болезней овощных культур. По данным многочисленных исследований, потери урожая от этих причин составляют в среднем 40...60% [7,56]. Для получения высоких урожаев почву в защищенном грунте необходимо ежегодно заменять или обеззараживать. Но замена грунта связана
7 с большими затратами средств и труда, необходимо иметь значительное количество дефицитной плодородной почвы, а кроме того, обеззараживание даже здоровой почвы способствует повышению урожайности овощных культур не менее чем на 25% [10,17,55,124].
Правительственные постановления и положения энергетической программы направлены на создание энергосберегающих технологий в народном хозяйстве, на рациональное использование и экономное расходование топлива и энергии [140, 344,346].
Несмотря на правительственные постановления, энергосберегающие технологии и технические средства для этих целей разрабатываются слабо. Основой для создания перспективных энергосберегающих технологий и технических средств является теория энергетики защищенного грунта, которая в настоящее время разработана практически только для энергетических способов нагрева в сооружениях защищенного грунта, характеризующихся.стационарным тепловым режимом. Для решения ряда задач необходимо знание значений теплофизических и влажностных характеристик, формирования температурных полей и процессов энергомассообмена в почве.
Совокупность этих вопросов, связанных с решением разных по содержанию и методологическому подходу теоретических, технологических и технических задач, является важной научно-технической проблемой, комплексное решение которой следует рассматривать как теоретическое обобщение и практическое решение важной народнохозяйственной задачи в области механизации и электрификации овощеводства защищенного грунта.
В связи с этим, оптимизация энергетических режимов электромеханизированного овощеводства защищенного грунта, разработка и усовершенствование существующих способов и средств, позволяющих эффективно выполнять энергетическое обеззараживание почвы в защищенном грунте, исходя из требований минимального расходования топлива и электроэнергии и повышения урожайности овощных культур, является актуальной проблемой.
Цель работы - разработка новых и усовершенствование существующих технологических процессов, способов и технических средств энергетического обеззараживания почвы в защищенном грунте, обеспечивающих существенное снижение затрат труда, энергии и повышение урожайности экологически чистых овощных культур.
Для решения поставленной проблемы в диссертационной работе были решены следующие задачи:
разработана классификация энергетических способов и технических средств обеззараживания почвы защищенного грунта от вредителей, основных возбудителей болезней овощных культур и определены оптимальные энергетические режимы обработки при использовании различных энергоносителей;
экспериментальным путем установлены закономерности формирования электрических и температурных полей в почве при нагреве электрическим током, паром и термоэлектрическим (пар + электрический ток) способом, при различных способах их подачи в слой почвы;
построены физические и математические модели процессов энерго-массообмена в почве и получены на их основе численные результаты воздействия на почву при обеззараживании различными видами энергии;
определены электрические, теплофизические и влажностные характеристики тепличных почв, зависимости коэффициентов паропроводимости и паропроницаемости, скорость движения фронта конденсации пара в почве, время нагрева при различных давлениях пара и влажностях почвы; для этих зависимостей получены эмпирические формулы и построены номограммы;
построены номограммы для определения температурных полей в почве при различных способах энергетического обеззараживания в зависимости от влажности почвы, вида и параметров энергоносителей, глубины обработки и экспозиций;
разработаны методики расчета электродных обеззараживателей и процесса нагрева почвы различными энергоносителями при разных способах их подвода;
- усовершенствованы существующие и разработаны новые эффективные
способы и технические средства, рациональные схемы конструкций рабочих
органов и электромеханизированные установки для энергетического
обеззараживания почвы в защищенном грунте.
Объекты исследования - технологические процессы, способы и установки энергетического обеззараживания почвы в защищенном грунте.
Предмет исследования - закономерности формирования энергомассообмена в почве при ее обеззараживании
Научная новизна работы состоит в следующем:
-выявлены закономерности процесса энергомассообмена и формирования электрических и температурных полей в почве при энергетическом воздействий на нее различных видов энергии и способов ее подвода в слой почвы;
- построены физические и математические модели процессов
энергомассообмена в почве при обеззараживании с использованием энергии
пара и электричества и получены на их основе аналитические выражения и
численные результаты;
-определены электрические, теплофизические и влажностные характеристики различных почв защищенного грунта при различных температурах нагрева, плотностях и влажностях почвы; скорость движения фронта конденсации пара в почве, время нагрева и коэффициенты паропроницаемости и проводимости пара почвой в зависимости от его избыточного давления и влажности почвы; для этих зависимостей получены эмпирические формулы и построены номограммы.
- установлены рациональные режимы энергетической обработки почвы
различными способами, при которых гибнут вредители и возбудители болезней
овощных культур, выживает гриб-антагонист, сохраняется и увеличивается
полезная микрофлора и возрастает плодородие почвы.
Новизна способов и технических решений по данной проблеме подтверждается авторскими свидетельствами и патентами СССР и РФ на изобретения.
Практическую значимость работы представляют:
- результаты теоретических и экспериментальных исследований являются
основой для разработки рациональных энергетических режимов нагрева
почвы, электромеханизированных средств их обеспечения, а также разработки новых и усовершенствование имеющихся способов и технических средств энергетического обеззараживания почвы против возбудителей болезней и вредителей овощных культур в защищенном грунте;
методики расчета электродных обеззараживателей почвы, температурных и электрических полей при различных энергетических способах нагрева;
эмпирические зависимости и номограммы, устанавливающие взаимосвязь расхода и давления пара от периода нагрева слоя почвы, скорости движения зоны конденсации, коэффициентов паропроницаемости и проводимости пара от его избыточного давления и влажности почвы;
рациональная перфорация рабочих органов электромеханизированных установок от давления подводимого пара и способа подачи в почву;
методики, зависимости и номограммы для проектирования энергетических обеззараживателей почвы.
Реализация результатов исследований. По материалам, полученным в результате законченных теоретических и экспериментальных исследований, разработаны и утверждены агротехнические (исходные) требования на агрегаты и оборудование для обеззараживания почвы паром и электрической энергией. Разработанные технические средства для энергетического обеззараживания почвы были включены в систему машин для растениеводства в разделы: Р66.17 - Агрегат для электротермического обеззараживания почвы на 1976-1980гг.; Р66.114 - Оборудование для обеззараживания почвы на 1986...1995 , гг. Результаты исследований в виде технических предложений и рекоменда- .-ций по расчету способов и технических средств для энергетического обеззараживания почвы используются рядом проектных и конструкторских организаций (ГСКБ по машинам для защищенного грунта г.Санкт-Петербург; Ги-пронисельпромом; научно-производственным внедренческим предприятием «Наука», проектным институтом ОАО «СевОсгорсельстройпроект» и ООО «Геополис», г. Владикавказ), а также Министерством сельского хозяйства РСО-Алания и Всероссийским научно-исследовательским институтом овоще-
водства при разработке рекомендаций по обеззараживанию почвы в защищенном грунте. Частично результаты исследований вошли в монографии и учебные пособия для студентов сельскохозяйственных ВУЗов РФ.
Внедрение разработанных энергетических средств и рациональных энергетических режимов, способов и технических установок для энергетического обеззараживания почвы обуславливает повышение коэффициента использования теплоты в 1,5...2,8 раза и снижение затрат труда в 6...8 раз, времени обеззараживания в 8... 12 раз, энергии 36...40 т.у.т. на га.
Апробация работы. Работа проводилась в порядке выполнения задания по проблемам 04.14; 0.51.18;0.51.21, утвержденным ГКНТ СССР, ВАСХНИЛ, МСХ РФ, и выполнялась согласно плану научно-исследовательских работ ФГОУ ВПО «Горский ГАУ» с 1980 по 2005годы.
Результаты исследований докладывались и одобрены на Всесоюзных научно-методических совещаниях по этим проблемам. Материалы диссертации были доложены на Всесоюзном координационном совещании по электрификации сельского хозяйства в 1980 г. (г.Орджоникидзе, ГСХИ), на научно- практических конференциях по проблеме экономии энергетических ресурсов в сельскохозяйственных сооружениях в 1981 г. (г. Орел), 1985, 1990 гг. (г. Баку), научно-техническом совещании по проблемам электрификации тепловых процессов и работ в культивационных сооружениях в 1983, 1988,1995 гг. (г. Москва), научно-технических конференциях ученых и специалистов (1980, 1985, 2003гг. ГНУ ВИЭСХ и ГНУ ВНИИО, г. Москва), на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Горского ГАУ (1980...2004 гг.), на научных конференциях профессорско-преподавательского состава ЧИМЭСХ, Кубанского ГАУ и Ижевской ГСХА (1981,1989,1997, 2003гг.), на Международных научно- практических конференциях "Экологически безопасные технологии в сельскохозяйственном производстве XXI века" (1998...2004 гг., г. Владикавказ), Международной научной конференции «Состояние и проблемы научного обеспечения овощеводства защищенного грунта», 2003 г. (РАСХН и НП НИИОЗГ, г.Москва).
12 На защиту выносятся:
классификация энергетических способов и технических средств обеззараживания почв защищенного грунта от вредителей, основных возбудителей болезней овощных культур и рациональные энергетические режимы обработки при использовании энергии пара и электричества;
физические и математические модели процессов энергомассоо_бмена в почве при обеззараживании ее паром и электрической энергией при различных способах их подачи в почву;
закономерности формирования электрических и температурных полей в почве при нагреве паром, электрическим током и комбинированным способом при различных способах их подвода в почву;
методики расчета установок для нагрева почвы энергетическими способами; электрические, теплофизические и влажностные характеристики почв; зависимости коэффициентов паропроницаемости и паропроводимости, скорости движения фронта конденсации пара и динамика нагрева понвы при различных давлениях и способах подвода пара и влажностях почвы;
эффективные способы и технические средства энергетического обеззараживания почвы в защищенном грунте.
Совокупность сформулированных и обоснованных положений и результаты их внедрения представляют собой существенный вклад в теоретическое обобщение и практическое решение крупной, имеющей важное народнохозяйственное значение, научно-технической проблемы по энергетическому обеззараживанию почвы в сооружениях защищенного грунта.
Публикации. Содержание работы отражено в 65 публикациях, в том числе: две монографии, шесть авторских свидетельств и патентов СССР и РФ на изобретения, учебники и учебные пособия для студентов сельскохозяйственных ВУЗов РФ, статьи в научных журналах и изданиях, материалах международных конференций и др.
Объем диссертации. Диссертация содержит 316 страниц машинописного текста, включая 128 рисунков, 30 таблиц, выводы и рекомендации, список
использованной литературы из 354 наименований, в том числе 15 на иностранных языках и приложения на 68 страницах.
Исследования и разработки, составляющие основу диссертации, выполнены в 1976...2005 годах лично автором. На разных стадиях разработки и испытаний макетных и опытных образцов агрегатов и установок принимали участие Гарбуз В.М., Блинова З.П., Микаелян Г.А., Миканаев Т.А;, Прянишникова Л.Н. (ГНУ ВНИИО); Молодцов И.И., Малюгин А.В., Шарков Г.А. (ГНУ ВИЭСХ); Фоломеев В.А., Чернышенко В.Г. (МГАУ им.В.П.Горячкина); Свешникова Н.М., Турлыгина Е.С., Мадярова Л.И., Скарбилович 1\С. (АН СССР). Всем им автор выражает искреннюю благодарность.
Классификация тепличных почв применяемых в защищенном грунте
В настоящее время в защищенном грунте применяют самые различные по составу почвы.В таблице 1.1 представлены грунты, применяемые в тепличных хозяйствах России. Из данных этой таблицы видно, что основным компонентом тепличных грунтов является низинный торф, содержание которого колеблет ся от 33 до 75%, а в некоторых хозяйствах и до 80%. Длительность использования грунтов с большим содержанием торфа не менее 3...4 лет, а чисто торфяные грунты используются только один год. В связи с этим практикуется периодическая замена грунтов.
За последние годы отдельные хозяйства страны стали вводить в состав грунтов опилки (от 20 до 50%) и соломенную резку, добавление которых способствует лучшей аэрации почвы, усиливает микробиологический процесс; тем самым, создавая лучшие условия для роста и развития корневой системы растений.
В зависимости от вида и объема имеющегося исходного материала состав грунта теплично-парниковых хозяйств может быть различным. При этом доля важнейших компонентов (большей частью двух или трех), как правило, колеблется в пределах, указанных в таблице 1.1 [13,129].
Результаты опытов, проводимых Московским сортоиспытательным участком в теплицах совхоза им. Моссовета, показали, что добавление в тепличные грунты до 50% опилок не снижает общий урожай огурцов по сравнению с рекомендуемыми почвенными грунтами. По данным голландских специалистов [60,129,324], наиболее высокий урожай огурцов получают на грунтах состава:
А в Болгарии для культуры огурца применяют грунт, состоящий из 25% хорошей дерновой земли, 50% навоза и 25% листового перегноя (или, при отсутствии последнего, используют мелко нарезанную солому с добавлением на 1 м3 до 1 кг нитрата аммония) [191].
В последнее время находят применение природные цеолиты в качестве субстратов под овощные культуры в теплицах. Применение субстратов из измельченных пород сорбционного типа (цеолиты), позволяет вносить удобрения один раз, без проведения подкормок. При этом урожай и качество овощной продукции повышается, а накопление нитратов и вредных тяжелых металлов в овощах снижается. Кроме того, цеолитовые субстраты более долговечны (10... 15 лет), не загрязнены сорняками, вредителями и возбудителями болезней, позволяют значительно снизить производственные затраты [111,150,318,353].
Состав почвенных грунтов влияет на урожайность овощей и на ее физико-химические, электрофизические, теплофизические и термодинамические свойства и, следовательно, на ее тепловой режим.В таблице 1.2. приведены составы грунтов применяемых в теплично-парниковых хозяйствах Московской области.
На основе анализа литературы по составу тепличных грунтов и базируясь на рекомендациях отдела агрохимии ГНУ ВНИИО и кафедры теплотехники МГАУ, проведена классификация характерных типовых почв для защищенного грунта (таблица 1.3), которые рекомендуются для практического применения в регионах Российской Федерации [55,100,302,317,324].
Согласно этой классификации, по своим свойствам применяемые в теплицах разные по составу почвы, приближенно можно отнести к одной из типовых тепличных почв, представленных в таблице 1.3.Для обеззараживания почвы в сооружениях защищенного грунта в основном применяют биологические, химические и энергетические виды обработки. В последние годы получили широкое распространение новые способы выращивания растений: под светопрозрачными пленками, на искусственных субстратах, на соломенных тюках, на цеолитовых субстратах и т.п.В культивационных сооружениях разного типа формируется своеобразный микроклимат, который обуславливает специфичные заболевания.
Так, для гидропонного способа выращивания растений, при котором наблюдаются довольно сильные колебания температуры воздуха и субстрата, характерно быстрое распространение инфекций от первичных очагов. Использование синтетической пленки в современных конструкциях вызывает появление в сооружениях капельно-жидкой влаги на внутренней поверхности пленки, а также резкий перепад температур [61,318].
В связи с этим систему мероприятий по борьбе с болезнями в защищенном грунте необходимо проводить с учетом конкретных особенностей распространения возбудителей заболеваний.
В период вегетации растений основные профилактические и истребительные мероприятия против болезней и вредителей практически одинаковы во всех типах сооружений. Осенние же профилактические мероприятия, особенно обеззараживание грунта, должны осуществляться дифференцированно, в зависимости от типа культивационного сооружения и способа выращивания культуры и видового состава возбудителей болезни и вредителей [86].
В систему профилактических мероприятий входит: обеззараживание растений, очистка теплиц от растительных остатков, удаление верхнего слоя грунта (2-3 см), обжиг проволоки, обеззараживание внутренней поверхности культивационных сооружений, инвентаря, грунта или искусственного субстрата (при гидропонном способе выращивания).
Исследование процесса обеззараживания почвы электродным способом
Электродный нагрев получил широкое распространение в электродных обеззараживателях почвы. Почву, имеющую ионную проводимость помещают между электродами и нагревают электрическим током, протекающим от электрода к электроду. Электроды, предназначенные для подвода электрического тока к почве, образуют электродную систему, или электродный нагреватель.
При расчете электродных обеззараживателей почвы необходимо определить потребную мощность и конструктивные параметры установки. Потребную мощность находят с учетом технологических условий, которые хактеризуют процесс нагрева почвы. Для электродных обеззараживателей периодического действия такими параметрами являются: объем V, м , нагреваемого материала; его удельная теплоемкость С, Дж/(кг С); плотность р, кг/м3; удельное электрическое сопротивление рэл, Ом -м; время нагрева т, с; начальная tj и конечная t2 температуры нагрева, С. Необходимо также знать тепловой КПД нагревателя г\т, который ориентировочно может быть принят по аналогии с другими электронагревателями, работающими в сходных условиях [97,120]. Для электродных обеззараживателей почвы полезную теплоту определяют по формуле, где V - объем почвы, м ; р - плотность почвы, кг/м; с - удельная теплоемкость почвы, Дж/(кг град); t2 - конечная заданная температура нагрева, С; /, - начальная температура почвы, С; Полезная электрическая мощность определяется выражением, Вт, где т - время нагрева, с. Потребную для нагрева объема почвы мощность находят по формуле Вычисленная таким образом Рттр предполагает работу с постоянной мощностью, что справедливо лишь для электрообеззараживателей почвы выполненных согласно схемы предложенной нами [93,228]. При нагреве почвы электродным способом с изменением температуры изменяется его сопротивление и, следовательно, мощность. При температуре t сопротивление почвы будет Rt, а мощность Омическое сопротивление проводника определяется формулой где / - длина проводника, м; S - площадь поперечного сечения проводника, м2; р, - удельное сопротивление проводника при температуре t, Ом м; 1 , 7,= — - удельная проводимость проводника при температуре t, См м . Pi При электродном обеззараживании проводником является почва (имеющая ионную проводимость), заключенная между электродами. Для простейшего случая однофазной плоско-параллельной электродной системы нагрева почвы где S - площадь рабочей поверхности одного электрода, м2; bh - шири-на и высота электрода, м ; / - расстояние между электродами, м; yt - удельная проводимость почвы при температуре t, См м 1; k — ljh - геометрический коэффициент электродной системы, который зависит от формы и взаимного расположения электродов. Для трехфазной системы соединенной треугольником где п - число пластин; С учетом R, формула мощности, выделяемой в почве, заключенном между электродами, будет иметь вид изменяется с ростом температуры линейногде у20 - удельная проводимость почвы при 20С; а - температурный коэффициент проводимости. Для почвы он находится в пределах 0,025...0,35С"1; t - температура почвы, С.
Поскольку у в процессе нагрева изменяется, то изменяется и выделяемая мощность (в установках периодического действия) что является недостатком электродного нагрева. Среднюю за период нагрева от ti до ti выделяемую между электродами мощность определяют по формуле Р =U ycph/k, где уср = у2оП + сс\tcp -20JI - среднее значение электрической проводимости почвы; tcp = 0,5(/, 2) - средняя температура почвы Так как расчетная мощность определяется заданными технологическими условиями (производительностью mt, граничными температурами ti и t2), с учетом тепловых потерь выделенную мощность определяют по формуле: Из этих формул, получают уравнение теплового баланса процесса нагрева Затем определяем высоту электродов по формуле: расчетной высоты электродов получает вид т-с-к-р л 20 + /, п = — u In ТТ2„ ОЛ , Цг7] 20 + /. Последовательность расчета такова. По вычисленным значениям S и h, определяют ширину b электродов так, чтобы bh = S, но необходимо учыты вать конструктивные особенности. Межэлектродное расстояние / = U2S/p, Р или / = U/Edon , где р, - удельное электрическое сопротивление материала при температуре t2, Ом -см; Едоп - допустимая напряженность электрического поля в ме-жэлектродном пространстве, В/м; ,,=(150...200) -10 В/м - для почвы. При расчете необходимо учитывать рекомендации, приведенные в [225], согласно которых 5// = 18...20. Полученное значение площади электродов где кн =1,1...1,4 - коэффициент, учитывающий неравномерность плотности тока по поверхности электродов; \тах - рабочий ток при максимальной тем-пературе нагреве t; jdon - допустимая плотность тока на электродах, А/м . Значение jдоп при нагреве почвы плоскими электродами не должно превышать 0,5 104А/м2. На заключительном этапе расчета определяют действительную напряженность электрического поля и сравнивают ее с допустимой. При этом должно выполнятся условие Едоп =Епр/( 1,5.. .2,0) Емах Время нагрева почвы определяется зависимостью где L гтпт постоянная времени нагрева, с. ЗифИт] Решение это уравнения относительно температуры t2 имеет вид:
Результаты исследований энергетических режимов при различных способах обеззараживания почвы
Для расчета оптимальных энергетических режимов обработки почвы, были разработаны лабораторный стенд и установка (3.1), которая позволила обработать почву электродным, паровым и термоэлектрическим способами, и использовали стенд с генераторным блоком с установкой ВЧД2-2,5/81 для обеззараживания почвы токами высокой и сверхвысокой частоты, принципиальная электрическая схема которой приведена на рисунке 3.3.
Чтобы определить оптимальные режимы энергетического обеззараживания почвы с позиции биологической и экономической эффективности нужно знать не только температуру, плотность электрического тока, экспозицию при которых погибают возбудители болезней и вредители овощных культур, но и установить количественные закономерности процесса нагрева почвы различными энергоносителями, в связи с чем проведены фитопатологические, агрохимические и микробиологические исследования..
Фитопатологические исследования проводились в лаборатории защиты растений ГНУ ВНИИО под руководством Блиновой З.П. По результатам этих исследований определялись оптимальные режимы обработки для каждого вида изучаемых болезней овощных культур и вредителя - галловой нематоды. В соответствии с программой работ, были проведены исследования действия токов ВЧ и СВЧ, электрического тока промышленной частоты, термического (водяного пара) и комбинированного способов на галловую нематоду и возбудителей грибных заболеваний, живущих в почве или сохраняющихся в ней и на растительных остатках, а также на антагониста почвенных грибов.
Выживаемость определяли по методике описанной выше. В таблице 3.1. приведены результаты опытов на поверхности почвы при обеззараживании токами ВЧ. Анализ экспериментальных данных показывает, что при нагреве почвенного образца до 41...57С на поверхности остается жизнеспособной практически вся инфекция. При увеличении температуры до 67...70С жизнеспособность вредителей и возбудителей болезней уменьшается, но остается все еще на высоком уровне. Гриб - антагонист сохраняет жизнеспособность при увеличении температуры до 70С на 80...90%.
На глубине 100 мм, отмечалась более быстрая гибель вредителей и возбудителей болезней после нагрева токами высокой частоты. При нагреве почвенного образца до 50С наблюдается значительное снижение выживаемости возбудителей болезней огурца. Жизнеспособность гриба — антагониста Fr. lignorum оставалась высокой. При увеличении температуры до 70С отмечалась полная гибель галловой нематоды и возбудителей болезней (таблица 3.2).
При увеличении температуры 70С и выше на глубине 100 мм отмечена полная гибель галловой нематоды, возбудителей заболеваний и гриба-антагониста Fr. /ignorum .
Более высокий эффект обработки на глубине 100 мм, по-видимому, объясняется совместным действием температуры и токов высокой частоты. На поверхности почвы действие токов высокой частоты выражено слабее.
В опыте с укрытием поверхности почвы пленкой температура на поверхности была равна 63С. При этой температуре отмечена полная гибель вредителей и возбудителей болезней, в то время как в опытах без укрытия пленкой даже при температуре 76 выживаемость возбудителей болезней была высокой.
При критическом режиме отмечается большая стойкость склероциев Sc/. scle-rotiorum по сравнению с F. oxysporum. Можно предположить, что склероций, обладают повышенной способностью выживания по отношению к изучаемому фактору.
Согласно исследованиям микробиологов (исследования поводились в лаборатории гельминтологии АНСССР под руководством Турлыгиной Е.С. и Мадья-ровой Л.И.) Azotobacter и олигонитрофилы, (микроорганизмы), способные в той или иной степени усваивать атмосферный азот и обогащать им почву, не выдерживают тепловой обработки более 80С. Грибы же, являющиеся более термоустойчивыми, получают преимущество в своем развитии при 60 и 80С [295,307].Тепловая обработка почвы (при 60...80С) способствует уничтожению грибной целлюлозоразрушающей микрофлоры. Уменьшается грибная флора, что активизирует деятельность бактерий, более полно разрушающих клетчатку растительных остатков. Исходя из выводов микробиологов, можно предположить что термическое воздействие (60...80С) дает возможность для интенсивного роста термофильных актиномицетов, обычно размножающихся в навозе и компостах. Так, после обеззараживания почвы численность актиномицетов увеличилась на 14,4...49,8%, уменьшилась численность грибов на 35...60%, полностью уничтожены нематода, яйца паутинного клеща. Это говорит о том, что обеззараживание почвы теплиц способствует перегруппировке микрофлоры, уничтожению вредных ее представителей, особенно фитопа-тогенных грибов, нематод и клещей. Эти же данные подтверждаются наблюдениями исследователей, представленными в [17,54,77,100,124,191,220].
С целью изучения влияния обеззараживания почвы токами высокой частоты на изменение агрохимических свойств были взяты образцы почвы на анализ до и после обеззараживания. Данные агрохимического анализа почвы показывают, что содержание аммиачного азота после обеззараживания резко увеличивается, увеличивается и содержание фосфора по сравнению с контролем. Наряду с положительным влиянием обеззараживания почвы токами высокой частоты (увеличивается содержание общего азота и фосфора) выявляется его отрицательная сторона, связанная с восстановлением аммиачного азота [55,120,146,191]
Для выявления действия электрического тока и температуры на галловую нематоду опыты с переменным током проводили по вышеупомянутой методике при напряжениях: 7,5; 15 и 30 В и экспозиции для каждого напряжения 30, 60, 120 и 180 с. Средняя сила тока в опытах менялась в пределах 0,055...6,5 мА. Результаты экспериментов приведены в табл. 3.3, в каждой из строк которой (за исключением трех нижних) обобщены данные одной серии опытов.
Из табл.3.3 видно влияние каждого из факторов, особенно плотности электрического тока и температуры, на галловую нематоду. Известно, что термическое воздействие на последнюю обеспечивает полное обеззараживание, если температура не ниже 60С [266], при электрическом же обеззараживании нематода погибала даже при 45С, при этом плотность электрического тока была 32мА/см , при экспозиции 12... 17 мин. и влажности почвы 56%.
Косвенное действие электрического тока на нематоду, вероятно, обусловлено образованием и соответствующим влиянием на нее ионизированного пара в почве. В трех нижних строках табл.3.3 приведены результаты опытов, в которых
Результаты исследований электрического потенциала почвы при эксплуатации электрообеззараживателей
Поскольку теплицы относятся к особо опасным помещениям с точки зрения электробезопасности обслуживающего персонала, максимальное безопасное напряжение принято равным 12В. Чтобы выявить степень вероятности поражения электрическим током при эксплуатации электрических установок, нами были проведены следующие опыты.
На разных расстояниях от одиночного электрода, помещенного в почве и подключенного к фазе трехфазной сети 380В с заземленной нейтралью, замеряли потенциалы ф почвы с помощью двух металлических щупов и лабораторного вольтметра.
Как видно из результатов исследований, даже при наихудших условиях работы установок по условиям электробезопасности обслуживающего персонала при напряжении 220В на расстоянии 2,0м и более от рабочих органов электрический потенциал ф меньше 12В. Таким образом, обеспечивается полная безопасность обслуживающего персонала от поражения электрическим током при напряжении 220В на расстоянии 2,0 м от рабочего органа.
Следующими исследованиями было определение электрического потенциала на различных расстояниях от электрода при подключении напряжения 127В, и результаты приведены на рис.4.11, откуда следует, что на расстоянии 1м и более от установки величина электрического потенциала ф не превышает 10В, что меньше безопасного напряжения принятого для теплиц. Эти данные согласуются с данными, приведенными в работах [9,180].
Существует целый ряд мобильных установок для электродного обеззараживания почвы в теплицах [3,18,22,116,191,193,257, 285,286], для которых разработаны правила эксплуатации, обеспечивающие безопасную работу обслуживающего персонала которые необходимо соблюдать и при использовании разработанных нами установок с учетом требований ПТЭЭП, ГГГБ и ПУЭ [217,218].При обеззараживаний почв большое внимание ряд исследователей обратили на изменение подвижности соединений азота, фосфора, калия, кальция на состав микрофлоры и другие факторы [70,74,124]. В связи с этим исследованы окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) и реакции среды (рН) под влиянием термоэлектрического обеззараживания почвы.
Исследования проведены по методикам предложенным в [253, 264] совместно с сотрудниками лаборатории механизации защищенного грунта и агрохимии ВНИИО при термоэлектрической обработки почвы до температуры 80С на глубину 350мм. Спустя 30 часов после обработки температура почвы была 22... 24С по всей глубине, что позволило вести посадку растений.
Окислительно-восстановительный потенциал (Eh) и рН почвы измеряли с помощью рН-метра - милливольтметра рН -340,точность измерения которого + 0,04рН и ± 2мВ. Такая точность превышает необходимый минимум для определения рН почвы, так как колебания измеряемых величин в зависимости от места измерения превышают эти данные (рН± 0,1; Eh± ЮмВ). Образцы почв брали из 20 точек на поверхности почвы и на глубине 200мм. Средний образец разбавляли в соотношении 1: 2,5 дистиллированной водой и определяли величины ОВП и рН через 2 мин., когда прекращалось изменение этих величин во времени. ОВП измеряли при помощи платинированного стеклянного электрода (ЭТПЛ-0,1 М); рН определяли при помощи стеклянного электрода (ЭСЛ-41-0,5). Электродомсравнения служил насыщенный хлор - серебряный электрод (ЭВЛ-1М), потенциал которого (+201 мВ) учитывался при расчете величины ОВП [55,191,307].
После обеззараживания наблюдалось резкое увеличение рН в слое 0...30 см. Такое увеличение можно объяснить тем, что под воздействием температуры происходит гибель живых организмов (микрофлоры и микрофауны), в результате чего в почве интенсивно разлагаются белковые вещества и увеличивается содержание аммиачного азота, что ведет к подщелачиванию среды, эти данные согласуются с данными, приведенными в [265]. Наряду с этим происходит увеличение подвижности двухвалентных катионов, что в свою очередь обуславливает изменение кислотности почвенного раствора. На рис. 4.12 и 4.13 представлены изменения содержания подвижного кальция и магния до и после обеззараживания в теплицах 1 и 2. Как видно из данных графиков после обеззараживания наблюдается резкое увеличение содержания подвижного кальция и магния. Такая зависимость согласуется с данными А.И. Зражевского, А.И. Серого, Г.Г. Русина, Гарбуза В.М. и др. Через 10...12 дней рН почвы начинает падать, что объясняется восстановлением благоприятных условий для процесса нитрификации, и аммиачный азот окисляется до азотистой и азотной кислоты. В это же время отмечено вполне закономерное увеличение численности грибов. Следует отметить, что несмотря на различные дозы и формы вносимых органических удобрений, внесенных под вспашку до обеззараживания, изменения рН и ОВП почвы после обеззараживания были идентичными и к концу марта во всех теплицах реакция среды была нейтральной. В апреле наблюдалось увеличение рН на глубине 20 см по сравнению со слоем 0...3 см, что, видимо, связано с минерализацией органического вещества почвы. На минерализацию указывает и изменение концентрации усвояемого кальция и магния.ОВП в теплицах больше на поверхности, чем на глубине 20см. После обеззараживания наблюдается увеличение ОВП, которое достигает 560...600мВ через три месяца.
