Міністерство аграрної політики та продовольства України Полтавська державна аграрна академія На правах рукопису Петровський Олександр Миколайович icon

Міністерство аграрної політики та продовольства України Полтавська державна аграрна академія На правах рукопису Петровський Олександр Миколайович




НазваМіністерство аграрної політики та продовольства України Полтавська державна аграрна академія На правах рукопису Петровський Олександр Миколайович
Сторінка3/8
Дата конвертації04.04.2015
Розмір1.85 Mb.
ТипДокументи
джерело
1   2   3   4   5   6   7   8

^ 1.4 Обґрунтування вибору методу передпосівного опромінення насіння високочастотним електромагнітним полем

Суттєвою складовою біотехнічної системи при опроміненні насіння електромагнітними полями є обладнання для стимуляції обмінних процесів. Будь-яка зміна обладнання вимагає вдосконалення способу впливу з забезпеченням оптимальних змін електричних властивостей насіння, з позитивним впливом на фізіологічний стан (схожість та енергію росту рослин) без пригнічення зародків зі знищенням патогенної мікрофлори, яка інтоксикує
зародки під час проростання.

Діапазон коливань ВЧ становить від 3 до 3000 МГц (рис. 1.4), що відповідає довжині хвилі від 100 до 0,1 метра.

За особливостями впливу на біологічні об’єкти спектр електромагнітного випромінювання радіочастотного діапазону підрозділяють на п’ять
інтервалів [28, 129, 138, 139–141]:

1. Від одиниць герц до 10 кГц − хвильова зона знаходиться на відстанях, де інтенсивність електромагнітного поля втрачає свою біологічну значимість.

2. 10 кГц ... 30 МГц − характерне нерівномірне поглинання електромагнітної енерґії різними біоструктурами насіння. Поглинання енерґії зростає пропорційно квадрату колової частоти ω2.

3. 30 МГц ... 10 ГГц − характерно виникнення виражених інтерференційних явищ, що супроводжується складним розподілом поглиненої енерґії. Максимальне поглинання має місце у випадку виникнення резонансних явищ за певного співвідношення довжини хвилі і розмірів об’єкта [142, 143].
Виникають області так званих «гарячих плям».

4. 10–200 ГГц − характерне швидке загасання хвилі при проходженні через тканини. Ефективна глибина проникнення близько 0,01–0,10 λ. Характерним є ефект локального впливу. На частотах 49–60 ГГц спостерігаються біорезонансні явища.

5. 200–3000 ГГц − характерно поглинання енерґії самими поверхневими шарами.

Розглянуто деякі характеристики проникнення, розповсюдження і поглинання електромагнітного випромінювання в біоструктурах із подальшим моделюванням їх суцільним середовищем із просторовим розподілом параметрів: ε − діелектричної проникності, σ − питомої провідності, μ − магнітної проникності.

На невеликих відстанях r від джерела електромагнітного випромінювання з довжиною хвилі λ і за виконання умови r < λ на біооб`єкт можна впливати переважно однією компонентою поля.

Для електромагнітного випромінювання, що проникає в біосередовище, характерним є явище укорочення довжини хвилі. Для тканин із низьким вмістом води довжина хвилі зменшується у 2–2,5 рази.

Інтерференційні явища обумовлені шаруватою структурою біотканин. У тих випадках, коли товщина декількох шарів речовини менше глибини проникнення випромінювання, частина енерґії відбивається від кордонів їх розділу і в тканинах виникають максимуми поглинання («Гарячі плями», рис. 1.7) [144, 145].

В оцінці електромагнітного випромінювання можна використовувати різні величини: напруженість електричного поля, магнітну індукцію, напруженість магнітного поля, інтенсивність випромінювання (густина потоку енерґії) тощо.

В основі механізму дії ЕМ поля лежить первинна дія на електрично заряджені частинки (іони, електрони, атоми, молекули), з яких складаються тканини біологічного об’єкту. Ця дія обумовлена як тепловим, так і нетепловим осциляторним ефектом високочастотних коливань. Під впливом ЕМ поля за рахунок трансформації високочастотної енерґії в теплову всередині тканин утворюється тепло. Утворення цього тепла залежить від електричних властивостей тканин – головним чином, від питомої електропровідності і діелектричної проникності, а також від частоти застосовуваного струму.
Тканини насіння (рис 1.1, 1.2 ) дуже різні за своїми властивостями.

У цілому насіння можна розглядати як недосконалий діелектрик, просочений розчином електроліту, та як структуру елементів, що володіють як омічним (провідники), так і ємнісним (діелектрики) складовими повного
електричного опору (імпедансу) [143, 144].


Рисунок 1.7 – Процес виникнення «гарячих плям» [144]: 1 – епідерміс, 2 – субепідерміальний шар, 3 – зруйнована паренхіма, 4 – поперечні клітини, 5 – трубчасті клітини, 6 – шар кутикули, 7 – внутрішній шар внутрішнього інтегументу, 8 – зруйновані клітини нуцелусу, 9 – алейроновий шар.


У тканинах, що добре проводять електричний струм, під впливом ЕМ поля заряджені частки переміщаються лінійно то в один, то в інший бік, як би коливаються біля середнього положення. За рахунок такого коливання заряджених частинок у провіднику виникає струм провідності. Оскільки ці коливання відбуваються у в’язкому середовищі, то це призводить до певних втрат енерґії, пов’язаних із подоланням даного опору. Вони отримали назву омічних втрат. Омічні втрати викликають виділення тепла. Коли діелектрик поміщують у ЕМ поле, в його атомах і молекулах зміщуються заряди і утворюються полярні молекули (диполі), які будуть змінювати свою орієнтацію залежно від частоти зміни напруженості поля. Струм, що виникає в діелек-трику за рахунок обертання дипольних частинок, отримав назву струму зміщення, а втрати, пов’язані з подоланням опору навколишнього середовища обертовими частинками, називаються діелектричними втратами. У недосконалих діелектриках під час цього процесу також утворюється тепло, але в значно менших кількостях, ніж у провідниках.

В ідеальних діелектриках (повітря, скло, гума тощо) струм зміщення не викликає утворення тепла [144]. Якщо величина омічної складової імпедансу не залежить від частоти застосовуваного струму, то величина ємнісної складової зі збільшенням частоти до певної межі зменшується. При низьких частотах у зв’язку з великим значенням ємнісної складової більша частина струму буде струмом провідності. У міру збільшення частоти до певних меж величина ємнісної складової імпедансу знижується, діелектрична проникність підвищується і починає збільшуватися частка струму зміщення. При високих частотах частка струму зміщення буде переважати над часткою струму провідності. Що стосується тепла, пов’язаного з діелектричними втратами, то воно за дії ЕМ поля буде незначним, проте ці теплові втрати будуть більш рівномірними для всіх тканин, які мало відрізняються за своїми діелектричним властивостям. За подальшого збільшення частоти коливань, як це спостерігається у разі використання хвиль сантиметрового діапазону, діелектрична проникність знижується і починає збільшуватися кількість тепла, пов’язаного з діелектричними втратами, що виникають за рахунок релаксаційних коливань молекул води.

Оскільки у разі дії ЕМ поля ВЧ діапазону переважає струм зміщення
(а тепловий ефект, в основному, залежить від струму провідності), то абсолютна кількість тепла за однієї й тієї ж сили струму за високих частот буде значно меншим, ніж у разі застосування нижчих частот. Однак величина ємнісної складової повного електричного опору струмів нижчих частот дуже велика, внаслідок чого переважає струм провідності, і такі струми не чинитимуть глибокої дії. Для струмів ВЧ електропровідність системи в цілому більша, що полегшує проходження енерґії в глибші тканини. Таким чином, за впливу поля ВЧ завдяки струму зміщення не стільки утворюється в тканинах (що погано проводять електричний струм) тепло, скільки накопичується
енерґія і передається майже без всяких втрат глибшим тканинам.

Струм зміщення за дії ЕМ поля ВЧ діапазону дозволяє глибше впливати і отримувати досить рівномірне прогрівання всіх тканин, у тому числі й глибоких, але все ж в основному за рахунок омічних втрат [145]. Кількість тепла, що виникає в тканинах під час дії поля ВЧ, багато в чому залежить від вживаної потужності поля і поглинання енерґії тканинами. Чим менше енерґії поглинається тканинами, тим менше буде виражений тепловий ефект і тим більше починає проявляти свою дію нетепловий, осциляторний фактор.

Істотне значення в механізмі дії електромагнітного поля ВЧ діапазону на біологічний об’єкт має осциляторний ефект, тобто фізико-хімічні зміни в клітинних і молекулярних структурах у результаті коливальних рухів заражених частинок у змінному електричному полі.

Теплову та осциляторну дію поля ВЧ на біологічні об’єкти не можна протиставляти, так як одне невіддільне від іншого [142]. Під впливом теплової і специфічної дії в тканинах насіння відбуваються фізико-хімічні процеси на рівні клітин і внутрішньо-молекулярних структур. До цих фізико-хімічних процесів належать посилення дисперсності білків, перетворення грубо-дисперсних білкових молекул на менші. Поле ВЧ знижує в’язкість рідкого середовища, зміщує реакцію середовища в бік окислення, змінює силу
поверхневого натягу, активізує ферменти та інші каталізатори.

Фізико-хімічні і фізіолого-біологічні зміни систем крохмального зерна та його водневої оболонки пояснюють процеси, що проходять за визначених оптимальних температур. За конвективного нагріву енерґія та тепло передаються від оболонки насіння до його середини. За опромінення електромаг-нітна енерґія трансформується в теплову спершу у тонких шарах водних оболонок крохмалю та інших структур насіння, що пояснюється різними діелектричним проникненням води і крохмалю – відповідно, 80 і 8 [147].

Початкове оптимальне підвищення температури вологи призводить до розриву водневих зв’язків та виникнення гідратації крохмалю з утворенням кінцевих біохімічних складових глюкози і фруктози, а також до інших ферментативних перетворень, що в подальшому впливають на стимуляцію й інтенсифікацію проростання. Відомо, що висока температура маси насіння призводить до коагуляції білків та інших видів руйнування живого організму.

Для одержання електромагнітного опромінення використовують різноманітні прилади [148–152]. В якості генератора сантиметрових радіохвиль (діапазон НВЧ) можуть використовуватися магнітрони, клеістрони тощо. Підведення енерґії до випромінювача здійснюється в цьому діапазоні за допомогою хвильоводів. У якості випромінювачів використовуються антени
різноманітних конструкцій, зокрема рупорні.

У діапазоні сантиметрових хвиль використовуються переважно лампові генератори, а підведення енерґії до випромінювача здійснюється за допомогою коаксіальних фідерів [148, 149].

Узгодження між генератором, передавачем і приймачем, у випадку використання сантиметрових хвиль, є складним завданням.

У разі використання метрового діапазону ЕМ хвиль узгодження реалізується простіше, але в цьому випадку необхідно контролювати таку характеристику як КБХ (коефіцієнт хвилі, що біжить). Вона повинна бути визначена узгодженням хвильових опорів генератора, передавача (кабель) і приймача (випромінювач і оброблюваний матеріал) [150, 151].

У випадку використання хвиль ВЧ діапазону питання узгодження зводиться до досягнення резонансу у вторинному контуру [152]. Для підведення енерґії до випромінювача не потрібно використовувати хвильоводи і коаксіальні кабелі з відповідним хвильовим опором. Достатньо використання в якості передавача звичайних дротів із високовольтною ізоляцією, а в якості випромінювача – звичайних конденсаторних пластин. Генератори ВЧ випромінювання мають суттєво простішу конструкцію, ніж генератори сантиметрових і метрових хвиль. Зокрема, генератори ВЧ використовують транзисторні схеми генерування сигналу, що робить їх значно дешевшими, надійними і конструктивно простими. В якості генератора застосовано апарат для УВЧ-терапії, що працює на частоті 27,12 (довжина хвилі 11,06 м) [13, 21].

Медичний випромінювач типу УВЧ60-Мед ТеКо має вихідну потужність випромінювання до 60 Вт і дозволений для використання МОЗ України. Його робота не перешкоджає роботі радіолокаційних станцій, телекомунікаційних систем і систем зв’язку, бо працює на інших, спеціально виділених частотах і має низьку вихідну потужність. Однак тривала дія такого випромінювання на обслуговуючий персонал остаточно не вивчена, системи захисту персоналу також потребують вдосконалення, особливо зважаючи на значну тривалість роботи людини-оператора з відповідними системами [21, 145, 152].

Порівнюючи результати опромінення насіння із застосуванням ЕМ хвиль різних діапазонів, треба мати на увазі, що у випадку, коли насіння розташоване між конденсаторними пластинами, то воно знаходиться в індукційній (зона випромінювання), а не у хвильовій зоні. Тому зміст інтенсивності в цьому випадку означає те, що умови опромінення відповідають інтенсивності у хвильовій зоні.

Ефективність опромінення визначається шляхом оцінки схожості насіння після його проведення. Висів опроміненого і неопроміненого (контрольна партія) насіння здійснювався в лабораторних умовах у чашках Петрі,
в закритому ґрунті і в польових умовах.


^ Висновки до розділу 1


1. На основі публікацій вітчизняних і закордонних авторів встановлено, що найпрогресивнішими, економічно вигідними та екологічно чистими є методи електромагнітної передпосівної стимуляції насіння сільськогосподарських культур. Така обробка підвищує схожість насіння, покращує енерґію росту рослин, зменшує термін веґетації і, як наслідок, збільшує врожайність.

2. Аналіз методів і систем опромінення виявив, що з точки зору енерґетичної ефективності, безпеки обслуговуючого персоналу та простоти конструкції обладнання доцільно використовувати частоту в діапазоні 20−30 МГц.

3. Враховуючи складну структуру насіння як біологічного об’єкту, визначено, що існує два види впливу: тепловий та осциляторний, які тісно пов’язані між собою. Під час використання ВЧ випромінювань теплова дія є переважаючою.

4. Для розробки методу електромагнітної передпосівної стимуляції насіння необхідними є дослідження фізичних процесів, змін фізіологічного стану, що відбуваються в насипному насінні при стимуляції росту за допомогою електромагнітного поля ВЧ діапазону.

5. Запропоновано розробити метод передпосівного опромінення насіння ВЧ електромагнітним полем і представити новітні конструктивні рішення технічного обладнання для його реалізації.

Базуючись на даних висновках, обрано наступні напрями досліджень:

1. Розробити математичну модель теплового режиму насипного насіння при обробці електромагнітним полем ВЧ діапазону.

2. Дослідити зміни електрофізичних параметрів насіння після проведення передпосівної стимуляції ВЧ електромагнітним полем.

3. Розробити біотехнічну систему опромінення насіння. Удосконалити технічні засоби опромінення з використанням ВЧ поля.

4. Провести експериментальні дослідження роботи біотехнічної системи опромінення насіння ВЧ полем.

Результати досліджень першого розділу опубліковано [10, 21] та обговорено на [15, 18, 23].


РОЗДІЛ 2

Синтез математичної моделі процесу опромінення насіння ВИСОКОЧАСТОТНИМ електромагнітним полем


Під час обробки насіння електричним полем високої частоти відбувається його нагрівання, в основному, завдяки наявності в клітинах молекул води і розчинених у воді іонів. Рух молекул води й іонів під дією змінного елек-тричного поля високої частоти і спричиняє нагрівання. Температура є одним із факторів, що впливає на наслідки передпосівної обробки насіння. Однак поряд із нагріванням відбуваються й інші процеси. Перетворення структур білків, поляризація клітинних мембран, інтенсифікація обмінних процесів під дією опромінення можуть призводити до зміни електричних властивостей насіння і, як наслідок, до впливу на фізіологічний стан, схожість і енерґію росту рослин.


^ 2.1 Аналіз теплового режиму опромінення насіння

Помірне нагрівання сприятливо впливає на його властивості (схожість, енерґія росту тощо), надмірне нагрівання, навпаки, може призводити до руйнування біологічно важливих молекул (денатурація білків тощо), а також порушувати функції біологічних мембран.

Насіння під час обробки нагрівається нерівномірно, крім того воно контактує з навколишнім середовищем і віддає частину теплоти. Таким чином, спостерігається явище нерівномірності розподілу температур, а відповідно – процес теплопровідності.

У загальному випадку температура Т у різних точках тіла змінюється з часом і за просторовими координатами. Цей процес може бути представлений загальною формулою [124]

(2.1)

де: x, y, z – координати точки; t – час.

Вигляд функції f визначається за допомогою диференційного рівняння теплопровідності Фур’є, яке в загальному випадку має вигляд

(2.2)

де: Т(x, y, z, t) – температура в точці координатами х, y, z в час t, К;

α – коефіцієнт температуропровідності, м2/с;

– диференційний оператор Лапласа;

q – кількість теплоти, що виділяється в одиниці об’єму за одиницю
часу, Вт/м3.

У процесі обробки насіння ВЧ полем воно знаходиться між конденсат-торними пластинами. Площа бокової поверхні шару насіння набагато менша, ніж площа торцевих поверхонь, тому теплопередачею через бокові поверхні можна знехтувати. В такому випадку функція розподілу температур у шарах насіння буде залежати тільки від однієї координати і має вигляд:

. (2.3)

Нехай загальний шар насіння, що знаходиться між конденсаторними пластинами, має товщину 2l. Координати торцевих поверхонь (країв) шару насіння, відповідно, x1 = – l і x2 = + l.

Умови теплообміну на кінцях шару насіння повинні відповідати крайовим умовам Ньютона:


(2.4)


(2.5)


де: ефективний коефіцієнт теплопровідності насипного насіння, Дж/м · К;

h – коефіцієнт теплообміну на краях шару насіння, Вт/(м· К);

T0 – температура зовнішнього середовища, К.

Для розв’язку задачі теплопровідності далі зручно вести відлік температур від температури навколишнього середовища. У цьому випадку крайові умови мають вигляд:

(2.6)

(2.7)

де T – перевищення температури над температурою навколишнього
середовища, К.

Враховуючи симетрію задачі, необхідно вважати, що

Початкова умова задачі

Розв’язання рівняння теплопровідності, яке відповідає розглянутим умовам, ґрунтується на наступних уявленнях [144].

1. Кількість теплоти , яку треба передати тілу, щоб збільшити його температуру на T , дорівнює

, (2.8)

де: с – питома теплоємність, Дж/(кг ∙ К);

– густина середовища, кг/м3;

V – об’єм тіла, м3.

2. Кількість теплоти , що протікає через поперечний переріз площею S за час t, дорівнює

, (2.9)

де: – градієнт температури, К/м;

– коефіцієнт теплопровідності, Дж/(м ∙ К).

3. Кількість теплоти , що виділяється в тілі під час обробки ВЧ
полем за час t, дорівнює

, (2.10)

де: P – активна потужність, яка виділяється у вторинному контурі генератора ВЧ, Вт;

– середня питома електрична провідність середовища, См/м;

^ E – ефективне значення напруженості електричного поля між конденсаторними пластинами, В/м;

V – об’єм, м3.

Розглянемо шар насіння, який знаходиться на відстані x від початку
координат і має товщину (рис. 2.1).


Рисунок 2.1 – Ілюстрація до розв’язання рівняння теплопровідності


У процесі одержання цим шаром теплоти, його температура збільшиться на

(2.11)

де: с – середня питома теплоємність насипного насіння, Дж/(кг · К);

– густина шару насіння, кг/м3.

За законом стаціонарної теплопровідності Фур’є, кількість теплоти, яку одержує шар насіння через поверхню 1 (рис. 2.1), дорівнює:

(2.12)

де: – коефіцієнт теплопровідності насипного насіння, Вт/(м · К);

– градієнт температури в точці з координатою x, К/м;

– проміжок часу, с.

Знак «мінус» у рівнянні (2.12) вказує на те, що напрямок градієнта температури протилежний напрямку потоку теплоти.

Аналогічно, втрати теплоти шаром насіння внаслідок теплопровідності через поверхню 2 з координатою , дорівнюють

(2.13)

де – градієнт температури в точці з координатою, К/м.

Крім того, шар насіння товщиною одержує тепло^ Q внаслідок проходження через цей шар струмів ВЧ.

, (2.14)

де: P – активна потужність у вторинному контурі генератора УВЧ, Вт;

– потужність, що припадає на одиницю об’єму насіння, Вт/м3.

Рівняння теплового балансу для випадку, який розглядається, має вигляд:

(2.15)

Підставляючи в останнє рівняння вирази (2.11), (2.12), (2.13), (2.14), отримаємо

. (2.16)

Поділимо праву і ліву частину рівняння (2.16) на

Переходячи до границі при i , одержимо

,

,

Вводячи позначення , , одержимо

(2.17)

Таким чином, поставлена задача зводиться до рішення нестаціонарного неоднорідного диференційного рівняння другого порядку (2.17) в частинних похідних із граничними умовами [16, 153]:


де

і початковою умовою

.

Частинне рішення відповідного однорідного рівняння будемо знаходити методом розділення змінних (метод Фур’є). Представимо
рішення у вигляді

. (2.18)

Тоді .

Звідси . (2.19)

Тобто ми маємо, фактично, два звичайних диференційних рівняння. Рішення першого має вигляд

. (2.20)

Характеристичне рівняння другого

,

. (2.21)

Його рішення

.

Частинні рішення однорідного рівняння

.

Похідна

.

Згідно крайових умов

,

.

Оскільки косинус – парна, а синус – непарна функція:

, ,

.

Звідси

.

Таким чином, частинні рішення мають вигляд

. (2.22)

Із другої крайової умови

, (2.23)

.

Таким чином, характеристичними числами крайової задачі є корні трансцендентного рівняння

, (2.24)

де n = 1, 2, 3…

Загальне рішення однорідного рівняння є суперпозиція частинних рішень

.

У випадку неоднорідного рівняння

,

треба розкласти величину q в узагальнений ряд Фур’є на відрізку

,

де – коефіцієнти Фур’є.

Рішення неоднорідного рівняння теплопровідності будемо шукати у вигляді

. (2.25)

Підставляючи цей вираз у рівняння теплопровідності, одержимо

,

. (2.26)

Рішення відповідного однорідного рівняння

,

має вигляд

. (2.27)

Далі вважається, що (метод варіації довільної постійної).

Підставивши (2.27) у (2.26), маємо

. (2.28)

Звідси

,

,

,

, (2.29)

де – коефіцієнти розкладу величини q в узагальнений ряд Фур’є,

,

.

Розв’язок задачі має остаточний вигляд

, (2.30)


де γn – позитивні корені рівняння

tgγ = lh/γ (γ1< γ2 <...);

.

Аналіз рішення (2.30) показує, що воно задовольняє початковій умові . Для центральної частини шару насіння, коли х = 0, вираз (2.30)
приймає вигляд

. (2.31)

Аналіз виразу (2.31) показує, що на початку обробки насіння ВЧ полем, коли ∆, температура всередині шару насіння (х = 0) росте пропорційно часу, а через тривалий час ∆ прямує до постійної величини [16, 19, 20].

Практичне застосування вказаного методу має певні незручності, оскільки потребує вирішення трансцендентного рівняння (2.24), а також визначення необхідної кількості членів суми, що треба отримати в рівнянні (2.29), для забезпечення необхідної точності результатів.

У такому випадку для чисельних розрахунків використовується метод кінцевих різниць [20, 153]. Сутність методу полягає в заміні неперервних
величин дискретними значеннями

,

.

Введення дискретних значень приводить до наступних наближених
формул відповідних похідних.

, (2.32)

. (2.33)

Внаслідок цього розв’язок рівняння (2.17) можемо одержати за рахунок обчислення наступного рівняння

. (2.34)

Відповідна програма для розрахунку наведена в додатках з урахованням крайових умов:

,

,

.

Стійкість рішення задачі здійснюється тільки за умови

. (2.35)

Для проведення чисельних розрахунків необхідно попередньо визначити ряд параметрів: середню питому теплоємність насіння, коефіцієнт теплообміну Ньютона, коефіцієнт теплопровідності.

^ 2.2 Визначення параметрів моделі розподілу температур

Модель температурного режиму насіння за його обробки полем ВЧ містить декілька параметрів. До них належать: середня питома теплоємність насіння, коефіцієнт теплообміну Ньютона, коефіцієнт теплопровідності. Наведені параметри особливі для кожного виду і сорту насіння, також на них впливає вологість і щільність насіння [142, 147]. Тому значення вказаних параметрів знайдені експериментально для певного сорту насіння з його відповідною вологістю.

Для визначення параметрів моделі проведено експериментальні
дослідження. Використовувалось насіння пшениці сорту Коломак-5 із нормальною вологістю (вологість насіння становила 10−12 %). Зазначене насіння ділилось на чотири партії. Маса кожної партії складала 0,05 кг, що приблизно становить 1000 насінин. Кожна партія поміщалася в кювету, яка, в свою чергу, розташовувалась між електродами ВЧ опромінювача (рис. 2.2). Кювета має розміри 0,13×0,09×0,01 метра. Проводилось опромінення з вихідною потужністю 20, 30, 40 і 60 Вт. У контрольних точках часу визначалася температура всередині насіння. Температура вимірювалася за допомогою спиртового термометра, а наприкінці опромінення (за вимкненого генератора) – за допомогою термопари типу ТР-01 із приладом DT9208A. Після вимкнення всередину насіння вводилася термопара і контролювалася температура. За ввімкненого опромінювача температуру контролювати виявилось неможливим, тому що термопара має свою, більш високу теплопровідність, порівняно з насінням, а відповідно скоріше нагрівається, що спотворює результати вимірювань. Крім цього, розсіяне електричне поле, що створюється навколо опромінювача, негативно впливає на роботу контролюючого приладу, що також спотворює результати вимірів.

Похибка вимірювання температури за допомогою такого обладнання складає ±1˚С. Температура навколишнього середовища складала +18˚С.


Рисунок 2.2 – Схема установки для вимірювання температурних режимів під час обробки насіння ВЧ полем


Результати вимірювання температури представлені в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 –

Температура насіння під час його обробки ВЧ полем

Час
опромінення
(контрольні точки), хв

Потужність опромінення 20 Вт

Потужність опромінення 30 Вт

Потужність опромінення 40 Вт

Потужність опромінення 60 Вт

Температура насіння, ˚С

Температура насіння, ˚С

Температура насіння, ˚С

Температура насіння, ˚С

1

2

3

4

5

0

18

18

18

18

2

19

19

20

21

5

20

21

22

25

10

22

23

25

29

1

2

3

4

5

15

23

24

27

32

20

24

25

28

35

25

25

26

29

36

30

25

26

29

36

35

25

26

29

36


Як видно з результатів дослідів, спочатку температура насіння збільшується під дією ВЧ опромінення, а згодом виходить на усталене значення, що свідчить про те, що кількість теплоти, яка надана насінню, дорівнює кількості теплоти, яка розсіюється в навколишнє середовище. Таким чином, із точки зору термодинаміки, ця система виходить на усталений режим. Можна зробити припущення, що з точки зору температурних режимів, опромінення насіння доцільно проводити в температурних межах від +18 ˚С до + 36 ˚С. Щоб підвищити температуру обробки необхідно або збільшувати вихідну потужність опромінювача, або термоізолювати систему.

Водночас необхідно зазначити, що перевищення температури насіння більше +42 ˚С негативно впливає на його життєдіяльність. Навіть при короткочасному перевищенні температури частина білків, що входять до складу насіння, починають руйнуватися.

Згідно з моделлю, що розглядається, на початкових стадіях обробки насіння ВЧ полем (до 10 хвилин) ріст температури пропорційний часу обробки. Будемо вважати, що на цій стадії обробки тепловими втратами в навколишнє середовище можна знехтувати. Таке припущення ґрунтується на тому, що температура насіння на початкових стадіях обробки мало відрізняється від температури навколишнього середовища. Крім того, під дією змінного електричного поля насипне насіння нагрівається рівномірно, тобто температура в усіх точках однакова.

Результати можуть бути представлені у вигляді графіку (рис. 2.3).


Рисунок 2.3 – Температурні режими насіння під час його обробки ВЧ полем

Експериментальні результати підтверджують висновки, зроблені на основі аналізу моделі: на початкових стадіях залежність зростання температури від часу є лінійною (рис. 2.3).

Як відомо, в стаціонарних умовах [146]

, (2.36)

де: – теплота, яку отримало насіння, Дж;

с – середня питома теплоємність насіння, Дж/(кг ∙ К);

m – маса насіння, кг;

– зміна температури, К.

Якщо, згідно зі зробленим припущенням, на початкових стадіях уся потужність ВЧ поля іде на нагрівання насіння, то

(2.37)

де: P – активна потужність при обробці насіння полем ВЧ, Вт;

t – час обробки, с.

Із рівнянь (2.37) і (2.38) випливає, що

. (2.38)

У дослідах маса насіння m = 0,05 кг.

Інші результати вимірів і розрахунок середньої питомої теплоємності насипного насіння представлені в таблиці 2.2.

Таблиця 2.2 –

Результати визначення середньої питомої теплоємності насіння пшениці

Потужність опромінення

Р, Вт

Час опромінення Δt, с

Зміна
температури

ΔТ, К

Теплоємність насіння

C, Дж/(кг·К)

Абсолютна

похибка

ΔC, Дж/(кг·К)

Відносна

похибка,

%

20

300

2

6,0 · 104

0,21 · 104


5,52

30

300

3

6,0 · 104

0,21 · 104

40

300

4

6,0 · 104

0,21 · 104

60

300

7

5,14 · 104

0,65 · 104

Середні значення

5,79 · 104

0,32 · 104


За законом Ньютона, теплообмін на межі середовищ визначається різницею температур цих середовищ:

(2.39)

де: h – коефіцієнт Ньютона, Вт/(К · м2);

– різниця температур середовищ, К;

S – площа поверхні теплообміну, м2;

t – час теплообміну, с.

В усталеному режимі все тепло, яке насіння одержує внаслідок УВЧ обробки, втрачається в навколишнє середовище через поверхню теплообміну. Тому в цих умовах

(2.40)

звідки

, (2.41)

де: Р – потужність, Вт;

– різниця температур середовищ в усталеному режимі, К.

В умовах досліду S = 2×13×9 234 см2 = 0,0234 м2.

Результати дослідів представлені в табл. 2.3.

Таблиця 2.3 –

Результати визначення коефіцієнта теплопередачі Ньютона насіння пшениці

Потужність

P, Вт

Зміна температури

ΔT, 0К

Коефіцієнт Ньютона

h, Вт/(К·м2)

Абсолютна

похибка, Δh

Відносна

похибка, %

20

7

122,1

23



8,8

30

8

160,3

15,2

40

11

155,4

10,3

60

18

142,5

2,6

Середні значення

145,1

12,8

Досить висока похибка пов’язана з неточністю визначення температури, адже температура визначалась із точністю ±1˚С.

Для визначення теплопровідності насипного насіння використовували лабораторний прилад (рис. 2.4), який складається з двох коаксіальних алюмінієвих циліндрів із тонкими стінками. У проміжок між циліндрами засипалося насіння. В стінки циліндрів зачеканені спаї диференційної термопари, що дозволяє вимірювати різницю температур між циліндрами Т. На осі циліндрів знаходиться дріт із високим омічним опором. У процесі вимірів по дроту пропускають струм.

Кількість тепла, яка при цьому виділяється за одиницю часу, визначається за формулою

, (2.42)

де: I – струм у дроті, А; I = 1,05А; U – напруга на дроті, В; U = 1,5 В.

Відповідно q = 1,575 Дж/с.


R2


Рисунок 2.4 – Лабораторний прилад для визначення теплопровідності насипного насіння: 1 – внутрішній алюмінієвий циліндр; 2 – зовнішній алюмінієвий циліндр; 3 – диференційна термопара; 4 – насіння; 5 – високоомний дріт.


Між циліндрами знаходиться насіння. Рішення стаціонарної задачі для даних умов призводить до виразу

. (2.45)

Звідки

, (2.46)

де: – коефіцієнт теплопровідності, Вт/м∙К;

l – довжина циліндрів, м; l = 0,2 м;

R1, R2 – радіуси, відповідно, внутрішнього і зовнішнього циліндрів, м;

R1, = 0,05 м, R2 = 0,1 м;

ΔТ – різниця температур між циліндрами, К; ΔТ = 3 К.

З урахуванням числових значень, одержимо

.

Враховуючи масштаб комп’ютерної моделі, за відомими співвідношеннями для ρ, λ’, α, q, h́ визначимо коефіцієнти температурної моделі (2.34) з урахуванням крайових умов Ньютона. Весь інтервал x комп’ютерної моделі складає 20 одиниць: від –10 до +10. Таким чином, 2l = 20 одиниць, товщина шару насіння – 0,01 м, відповідно, 1 м = 2000 одиниць.

, (2.47)

де: m – маса насіння, що обробляється, m = 0,05 кг;

S – площа бічної поверхні кювети, S = 0,0117 м2.

,

,

,

, (2.48)

.

Кількість переданої теплоти за одиницю часу q розраховуємо для різних потужностей опромінення. Данні розрахунки заносимо в таблицю 2.4:

. (2.49)

Таблиця 2.4 –

Кількість переданої теплоти для різних потужностей опромінення

Потужність опромінення Р, Вт

20

30

40

60

Кількість переданої теплоти за одиницю часу, q Дж/с

0,007

0,0105

0,0141

0,0211


, (2.50)

.

Визначимо крок розрахунку з умови

. (2.51)

Оскільки товщина шару насіння складала в дослідах 0,01 м, приймемо, згідно зі схемою для розрахунку температурної моделі (рис. 2.1), Δx = 0,2 одиниці. Тоді .

Для подальших розрахунків приймемо Δt = 0,4.

Числові значення розподілу температур у насінні можуть бути обраховані за допомогою розглянутої моделі методом кінцевих різниць, використовуючи комп’ютерну програму Scilab 2.7. Програму наведено в додатку А. На рис. 2.5–2.9 представлені результати таких розрахунків за вихідної потужності 20, 30, 40, 50, 60 Вт. Максимального значення температура досягає в середньому шарі насіння, причому максимальна температура прямо пропорційна потужності Р.


Рисунок 2.5 – Розподіл температур у шарі насіння за різного часу опромінення і вихідної потужності генератора 60 Вт


Рисунок 2.6 – Розподіл температур у шарі насіння за різного часу опромінення і вихідної потужності генератора 50 Вт


Рисунок 2.7 – Розподіл температур у шарі насіння за різного часу опромінення і вихідної потужності генератора 40 Вт


Рисунок 2.8 – Розподіл температур у шарі насіння за різного часу опромінення і вихідної потужності генератора 30 Вт


ТС


15


10


τ = 1500с


τ = 900с

τ = 1200с


5

τ = 600с


τ = 300с


0,01

0,005

0,0025

0,0075

0

х, м


Товщина шару насіння, м

Рисунок 2.9 – Розподіл температур у шарі насіння за різного часу опромінення і вихідної потужності генератора 20 Вт

Згідно з аналізом моделі температурного режиму, за достатньої тривалості обробки () ВЧ полем температура насіння T досягає свого максимального значення і далі практично не змінюється. Цей висновок ілюструється результатами, представленими на рис. 2.6. Вони достатньо добре можуть бути апроксимовані рівнянням

(2.52)

де: – асимптотичне значення температури, коли , К;

– коефіцієнт, який має розмірність часу, с.

Температура відповідає усталеному режиму, коли одержане тепло і його втрати рівні. Значення перевищення температури насіння, що опромінюється, над температурою навколишнього середовища зображені на графіку (рис. 2.10).


Рисунок 2.10 – Зміна температури насіння пшениці з часом під час
обробки полем ВЧ різної потужності


Розроблена модель стосується однорідного середовища. Насправді середовище є суттєво неоднорідним, між зернами існують повітряні проміжки. Ця неоднорідність не може значно впливати на результати обчислень за моделлю, що розглядається, оскільки в якості параметрів моделі використовуються усереднені (ефективні) значення теплопровідності, коефіцієнта Ньютона, питомої теплоємності. Більш суттєвими є мікронеоднорідності самого насіння. Неоднорідності, які мають більшу електричну провідність, можуть нагріватися більше або менше навколишніх ділянок у залежності від шляхів проходження струмів ВЧ. В якості таких неоднорідних ділянок можуть виступати, зокрема, клітинні мембрани.

Якщо середній час переходу іонів через потенційний бар’єр мембрани співпадає з півперіодом поля ВЧ, яким обробляється насіння, може відбутися її резонансний нагрів. Оскільки функціонування клітинних мембран суттєво залежить від температури, то їх перегрів може негативно впливати на схожість і ріст рослини. Для уникнення помірного перегріву клітинних мембран в апаратах ВЧ обробки доцільно використовувати режим імпульсного опромінення. Тривалість проміжку часу для проходження процесу теплообміну в неоднорідних ділянках повинна бути менша, ніж тривалість імпульсу.

Розроблена модель температурного розподілу може застосовуватися у проектуванні приладів для ВЧ обробки насіння і вибору режимів такої обробки.

1   2   3   4   5   6   7   8



Схожі:

Міністерство аграрної політики та продовольства України Полтавська державна аграрна академія На правах рукопису Петровський Олександр Миколайович iconМіністерство аграрної політики та продовольства україни головне управління агропромислового розвитку Херсонської обласної державної адміністрації Державна податкова адміністрація у Херсонській області двнз «Херсонський державний аграрний університет» актуальні аспекти розвитку підприємств аграрної с
Актуальні аспекти розвитку підприємств аграрної сфери: облік, аудит та фінансування

Міністерство аграрної політики та продовольства України Полтавська державна аграрна академія На правах рукопису Петровський Олександр Миколайович iconМіністерство аграрної політики І продовольства україни

Міністерство аграрної політики та продовольства України Полтавська державна аграрна академія На правах рукопису Петровський Олександр Миколайович iconМіністерство аграрної політики та продовольства України Національна академія аграрних наук Державний вищий навчальний заклад «Херсонський державний аграрний університет»
М. Ф.Іванова «Асканія-Нова» Національний науковий селекційно-генетичний центр з вівчарства

Міністерство аграрної політики та продовольства України Полтавська державна аграрна академія На правах рукопису Петровський Олександр Миколайович iconМіністерство аграрної політики та продовольства України Національна академія аграрних наук Державний вищий навчальний заклад «Херсонський державний аграрний університет»
М. Ф.Іванова «Асканія-Нова» Національний науковий селекційно-генетичний центр з вівчарства

Міністерство аграрної політики та продовольства України Полтавська державна аграрна академія На правах рукопису Петровський Олександр Миколайович iconМіністерство аграрної політики та продовольства україни державний вищий навчальний заклад «херсонський державний аграрний університет» нака з

Міністерство аграрної політики та продовольства України Полтавська державна аграрна академія На правах рукопису Петровський Олександр Миколайович iconМіністерство аграрної політики та продовольства україни сумський національний аграрний університет пропозиції науково-педагогічних працівників Сумського нау щодо наукового супроводу виробництва аграрної продукції та бізнесу на 2012 рік Суми 2012
Оцінка шляхів підвищення ефективності використання основних ресурсів у землеробстві в ринкових умовах

Міністерство аграрної політики та продовольства України Полтавська державна аграрна академія На правах рукопису Петровський Олександр Миколайович iconУкраїна міністерство аграрної політики та продовольства України Мінагрополітики Державний вищий навчальний заклад
Найменування предмета закупівлі Продукти нафтоперероблення рідкі (код 23. 20. 1 за дк 016-97)

Міністерство аграрної політики та продовольства України Полтавська державна аграрна академія На правах рукопису Петровський Олександр Миколайович iconПро Порядок нормативної грошової оцінки земель сільськогосподарського призначення та населених пунктів
Державний комітет україни по земельних ресурсах міністерство аграрної політики україни міністерство будівництва, архітектури та житлово-комунального...

Міністерство аграрної політики та продовольства України Полтавська державна аграрна академія На правах рукопису Петровський Олександр Миколайович iconМіністерство аграрної політики та продовольства україни державна інспекція з карантину рослин
Укрголовдержкарантину від 04. 10. 2012 року №165 «Про заходи щодо припинення діяльності державної інспекції з карантину рослин по...

Міністерство аграрної політики та продовольства України Полтавська державна аграрна академія На правах рукопису Петровський Олександр Миколайович iconУкраїна міністерство аграрної політики та продовольства України Державний вищий навчальний заклад
Державного вищого навчального закладу «Херсонський державний аграрний університет» згідно нижченаведених умов та додатків

Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©lit.govuadocs.com.ua 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи