Исследование ускорения сушки растительной массы трав при обработке плющением и электрическими разрядами

исследование ускорения сушки растительной массы трав при обработке плющением и электрическими разрядами

Государственная программа развития села на 2011;2015 гг. от 01.08.2011 г. № 342 подразумевает повышение эффективности сельскохозяйственного производства за счет реализации системных мер, предусматривающих приведение затрат на производство сельскохозяйственного сырья и продовольствия к нормативному уровню. Для реализации данной цели предусматривается внедрять интенсивные системы кормопроизводства, обеспечивающие получение сбалансированных по элементам питания кормов [1].

Одними из важнейших составляющих кормового рациона животных являются травы, богатые белком, витаминами, незаменимыми аминокислотами, различными микроэлементами и минеральными веществами [7]. Однако при заготовке кормов из трав не всегда удается сохранить их высокую питательную ценность. Скошенное травяное сырье быстро теряет питательные вещества за счет биохимических процессов, интенсивность которых зависит от технологии приготовления кормов.

Хорошо приготовленное и сохраненное сено представляет собой высокопитательный, ценный корм для жвачных животных, который способен не только обеспечить животное необходимыми питательными элементами, но и благотворно влияет на их здоровье и воспроизводительные функции. В 1 кг бобово-злакового сена содержится (в перерасчете на сухое вещество) 14 и более процентов сырого протеина, 9,0−9,5МДж обменной энергии и 0,67−0,73 кормовых единицы [8].

Решение поставленной цели может быть достигнуто за счет совмещения технологического процесса плющения и обработки растительных материалов электрическими разрядами, позволяющего ускорить процесс сушки травы в полевых условиях и способствующего улучшению сохранения питательных веществ.

По данным исследования, проведенного в 60-х годах, А. А. Климовым было установлено, что электроискровая обработка с последующим плющением сокращает продолжительность сушки в полевых условиях в 2,2 раза по сравнению с контролем (отсутствием какой либо обработки) и в 1,4 раза по сравнению с плющением. При этом потери питательных веществ в высушенной траве снижаются по сравнению с контролем на 12% [9].

Данные показатели были достигнуты за счет нарушения целостности стеблей растений. По данным исследований А. М. Михина и Ф. А. Жухина (1940 г.), было установлено, что у растений с раздавленными стеблями голодный обмен был завершен спустя 3 часа и они были готовы к уборке спустя сутки, в то время как растения с неповрежденными стеблями находились в состоянии голодного обмена сутки, а убирать их можно было только через 2 суток [8].

Комбинированная обработка травы при скашивании плющением и электрическими разрядами в полевых условиях способна значительно ускорить процесс влагоотдачи, что приведет к ускорению сушки растительной массы и позволит сохранить большее количество питательных веществ.

Анализ источников

Процесс разрушения живых клеток растительного материала сопровождается необратимыми изменениями как в самой клетке, так и в окружающей ее оболочке [2, 6]. При этом реакция клетки на раздражающие агенты (механическое давление, химическое и тепловое воздействие, электроток) не специфична, она реагирует на них всегда одинаково. Если величина раздражающего фактора невелика, то клетка возбуждается, внутренние процессы ускоряются, вследствие чего она стремится воспрепятствовать влиянию раздражения. В таком состоянии клетка может находиться довольно долго, при снятии раздражающего фактора она обретает свое нормальное физиологическое состояние. Увеличение же дозы раздражающего агента выше определенной величины приводит к гибели клетки. При этом резко падает проницаемость мембран. Из полунепроницаемых клеток, в которых перенос веществ происходит всегда в одном направлении (внутрь клетки), они становятся неспособными удерживать под большим давлением сок, находящийся в вакуолях. Влага выходит из клетки в межклеточник и оттуда легко испаряется.

Если предположить, что величина механической энергии (давления), приводящей к разрушению клетки, равна — q₁, электрической — q₂, химической — q₃, тепловой — q₄, то эффект от воздействия всех агентов будет суммироваться:

. (1).

Из этого выражения следует, что если на растительную клетку воздействуют различные разрушающие факторы, то для достижения эффекта требуется меньшая энергия каждого воздействия, чем при наличии одного фактора. Следует отметить, что данная формула справедлива лишь при рассмотрении единичной (изолированной) клетки. В реальных условиях воздействие механических сил распространяется на совокупность клеток, которые связаны между собой в ткань. В этих условиях для механического разрушения клетки необходимы расходы энергии, которые не пропорциональны числу клеток в данном объеме растительной ткани. По этой причине механическими рабочими органами разрушить все клетки не представляется возможным. Одновременное воздействие на ткань механических усилий и пропускание через нее электрического тока может увеличить число поврежденных клеток.

Во многих работах по электроплазмолизу большое внимание уделяется рассмотрению и изучению электрических свойств растительных материалов, которые являются объектом электрического воздействия, и основным, определяющим элементом электрической цепи рабочего органа электроплазмолизатора. Но, как правило, во всех работах делается акцент на биофизические свойства клетки или совокупности клеток, составляющих растительную ткань [3, 5]. Предложено множество электрических схем замещения клеток [4], в которых учтены сопротивление и емкость мембраны протоплазмы, и сопротивление самой протоплазмы. Однако для реализации способа электроплазмолиза и совершенствования конструкции рабочих органов электроплазмолизаторов решающее значение имеют электрические свойства не отдельных частиц, а травяной массы в целом как совокупности большого количества проводников электрического тока. Поэтому важно исследовать микроструктуру не только растительной ткани, но и макроструктуру вороха травы. Это особенно важно при разработке мобильных электроплазмолизаторов, в которых скошенная трава без измельчения поступает непосредственно в плющилку и подвергается механическому и электрическому воздействиям.

Метод исследования

Теоретическое и логическое обоснование принципов разрушения растительной ткани под действием механических и электрических сил.

Основная часть

Одной из характеристик растительного материала является электрическое сопротивление его ткани. По величине электрического сопротивления материала можно судить о его пористости, степени измельчения, поверхностной и емкостной проводимости. Измерение сопротивления на низких и высоких частотах позволяет качественно выразить степень повреждения клеток материала любым экстремальным воздействием на него.

За критерий эффективности электроплазмолиза зеленых растений, или степень повреждения клеток Е_п, примем отношение изменения электрических сопротивлений материала до и после электрообработки к его сопротивлению до обработки:

(2).

где R_нач, R_эл — сопротивление материала соответственно до и после электрической обработки, Ом.

Рассмотрим единичный объем растительной ткани (ворох травы), сосредоточенный в форме куба. К двум противоположным граням подведем с помощью плоских электродов напряжение (переменное) U₀. В цепи возникнет ток, величина которого будет определяться сопротивлением вороха травы. Чем выше сопротивление, тем меньше будет величина тока через массу и тем меньше будет эффект разрушения клеточных структур при данном напряжении.

Трава представляет собой гетерогенный проводник электрического тока, который обладает различными проводимостями вдоль и поперек стеблей. Причем существенно различаются объемная и поверхностная проводимости стебля [10]. Наименьшим сопротивлением обладает стебель травы в продольном направлении по внутренним волокнам растительной ткани. На один-два порядка выше сопротивление на наружной поверхности стебля. Объемное сопротивление живого растительного материала зависит от формы связи влаги с материалом и физиологического состояния клеток. Более изменчива величина поверхностного сопротивления стеблей растений. Поверхностная проводимость зависит от погодных условий, наличия на поверхности стеблей свободной влаги в виде росы и т. д. Поскольку в определенные периоды вегетации влажность растений остается относительно постоянной в течение суток, следовательно, мало изменяемой величиной является и объемная проводимость, в то время как поверхностная проводимость резко меняется в течение суток. Так, из-за выпадения росы ночью и утром она выше; днем, когда трава не имеет на своей поверхности влаги, поверхностная проходимость тока значительно ниже. Что касается контактного сопротивления, то оно имеет прямую корреляцию с поверхностной проводимостью при условии, что стебли не разрушаются механически при сжатии слоя травы. Контактное сопротивление сильно зависит от степени сжатия материала и достигает своей минимальной величины при полном контакте по всей поверхности и смачивании места контакта соком.

Эквивалентная электрическая схема замещения слоя травы должна включать в себя, по крайней мере, три элемента: объемное сопротивление растительной ткани (для бобовых трав это в основном стебли), поверхностное и контактное сопротивление «электрод-стебли» и «стебель-стебель» (рис.1).

Рис. 1. Электрическая схема замещения травы:

R_к — контактное сопротивление, R_об — объемное, R_пов— поверхностное Объемное сопротивление растительной ткани R_об зависит от вида растений, фазы вегетации, условий произрастания и других факторов, определяющих электрофизические свойства клеток данного растительного материала.

Поверхностное сопротивление R_пов — электрическое сопротивление растения по поверхности в продольном и поперечном направлениях; контактное сопротивление R_к — переходное сопротивление между электродом и растительным материалом и в местах электрического контакта обрабатываемых частиц между собой.

Сопротивление вороха травы между электродами будет:

. (3).

В свою очередь:

. (4).

При электрообработке растительная масса поглощает определенное количество энергии:

(5).

где U — подведенное напряжение, В; и — продолжительность обработки, с.

Требуемый эффект электрообработки достигается при определенном значении поглощенной растениями энергии W. Конструкция аппарата, как видно из выражения (5), будет наиболее компактной (фактор и) и простой (фактор U) при минимальных значениях сопротивления R_в. С этой точки зрения, проанализируем выражение (4) и определим пути снижения общего сопротивленияR_общ.

Объемное R_об и поверхностное R_пов сопротивления определяются в основном обрабатываемым материалом и при определенных условиях обработки их можно считать величинами постоянными. Поэтому для конкретной конструкции рабочего органа электроплазмолизатора эквивалентное сопротивление R_экв является величиной нерегулируемой. Управляющим фактором, определяющим эффективность электрообработки, следует считать контактное сопротивление R_к, на величину которого можно влиять изменением параметров рабочего органа. Прежде всего это может быть достигнуто системой электродов рабочего органа электроплазмолизатора, которые осуществляют не только подвод напряжения, но при определенном их конструктивном оформлении оказывают еще и механическое воздействие, снижающее контактное сопротивление системы.

Таким образом, система электродов рабочего органа электроплазмолизатора, обеспечивающая электрический контакт с материалом, должна снимать или резко уменьшать контактное сопротивление между стеблями и обеспечивать преимущественное прохождение тока по всему сечению стеблей, т. е. по пути наименьшего (объемного) сопротивления.

Подходя с этих позиций к выбору принципиальной схемы конструкции рабочего органа для эффективной обработки растительной массы, можно ограничиться рассмотрением вальцов, на одном из которых располагаются электроды (в шахматном порядке) (рис. 2). При такой конструкции рабочего органа слой травы, попав между барабанами плющилки, изгибается и удлиняется, что сопровождается уплотнением, сжатием и плющением.

Рис. 2. Схема электронного узла электроплазмолизатора

для комбинированной обработки растительной массы.

1 — барабан из диэлектрического материала, 2 — металлический барабан, 3 — скошенная растительная масса, 4 — электрод Известно, что величина R_к определяется сопротивлением междуотдельными частицами внутри объема R_м.

(6).

где R_эл,R_м — сопротивление соответственно между электродами и между частицами массы.

Сопротивление R_элзависит от площади контакта электрода смассой; при плотностях тока на электродах до 6,8 кА/м² [19] R_эл составляет 2−3%от R_к.

Таким образом, более 90% величины R_к приходится на сопротивление между частицами массы R_м, величина которого зависит от плотности массы, зависящей в свою очередь от давления, определяемого экспериментально.

Однако даже не проводя эксперимента, можно утверждать, что R_к резко изменится (уменьшится) за счет того, что отдельные частицы окажутся включенными параллельно. Снизится несколько и R_пза счет увеличения давления и разрушения при этом клеток, находящихся на поверхности стеблей и листьев. Следовательно, уменьшится и R_в, что приведет при постоянстве градиента напряжения к возрастанию тока. Эффект от действия электрических и механических сил на процесс разрушения суммируется, что увеличит степень повреждения клеток и повысит последующую скорость сушки.

Заключение

Таким образом, можно сделать вывод, что наиболее благоприятный момент для обработки растительной массы электрическими разрядами будет во время процесса плющения трав, когда значение R_в является минимальным.

• 1. Государственная программа развития села на 2011 — 2015 годы / Министерство сельского хозяйства и продовольствия республики Беларусь. — Минск, 2011. — 76 с.
• 2. Пиуновский, И. И. Интенсификация влагоотдачи скошенной травы / И. И. Пиуновский, В. Р. Петровец // Вестник БГСХА. — 2011. — № 3. — С. 137−142.
• 3. Червяков, Д. М. Исследование электрического и механического воздействий на интенсивность сушки травы / Д. М. Червяков. — Челябинск: ЧЖ’ДЭСХ, 1978. — 21 с.
• 4. Сорачану, Н. С. Исследование электроплазмолиза растительныхматериалов с целью интенсификации процесса их сушки: автореф, дисс… канд. техн. наук / Н. С. Сорачану. — Челябинск, 1979. — 21 с.
• 6. Климов, А. А. Теоретические и экспериментальные исследования электрической искры как рабочего органа / А. А. Климов, В. Н. Савчук, В. И. Баев / Механизации и электрификация с.-х. производства // Труды ВНИШЛЭСХ. — Зерноград, 1970. — С. 55−59.
• 5. Бойко, А. Я. Исследование электроимпульсного способа интенсификации механического обезвоживания растительной массы с целью снижения энергозатрат при сушке: автореф. дисс… канд. техн. наук / А. Я. Бойко. — М., 1976. — 21 с.
• 7. Бориневич, В. А. Приготовление и хранение сена и травяной муки / В. А. Бориневич. — М.: Россельхозиздат, 1970. — С. 15−97.
• 8. Зафрен, С. Я. Технология приготовления кормов / С. Я. Зафрен. — М.: Колос, 1977. — 240 с.
• 9. Басов, А. М. Электротехнология / А. М. Басов, В. Г. Быков. — М: Агропромиздат, 1985. — 256 с.
• 10. Соблиров, А. А. Интенсификация процесса естественной сушки трав с применением электрической и механической обработки их при скашивании / А. А. Соблиров. — М., 1984. — 176 с.