Технические средства повышения эксплуатационных показателей электроактиваторных установок для приготовления консерванта при силосовании кукурузы

В последние годы АПК России стал устойчиво развиваться. Так в 2009 году прирост производства сельскохозяйственной продукции составил 1,2%, при этом объем продукции животноводства возрос на 4,1% [100]. На сегодня перед сельским хозяйством стоит задача повышения его эффективности и конкурентоспособности на основе инновационного пути развития и широкой модернизации производства. Отдельное место отводится разработке механизмов финансовой поддержки сельхозпредприятий и государственному регулированию.

В производстве сельскохозяйственной продукции Южного федерального округа Краснодарский край занимает значительный удельный вес, так на его долю приходится 30% производства скота и птицы в живой массе [5]. Доля сельскохозяйственной продукции в общем объеме регионального продукта составляет 14−17%. Сельским производством в крае занимаются более 380 предприятий, свыше 17 тыс. крестьянских 9фермерсских) хозяйств, более 830 тыс. личных хозяйств населения [31]. Анализ статистических данных показывает, что большинство видов продукции животноводства являются убыточными для Краснодарского края, за исключением молока и молочных продуктов, а также яиц. Это можно объяснить несколькими причинами: ценовой диспаритет, устаревшие технологии производства, низкая конкурентоспособность, слабая селекционно-племенная работа, низкая мотивация труда. В настоящее время основой эффективного развития животноводства являются интенсивные и ресурсосберегающие технологии. Многочисленными исследованиями установлено, что продуктивность животных и птицы на 50 — 55% зависит от рациона кормления, на 20 — 25% - от породы и уровня селекционно-племенной работы и на 20 — 30% от параметров микроклимата [11, 55].

Экологическая безопасность продуктов питания является особо важным критерием качества сельскохозяйственных культур. К сожалению, в последние годы значение этого критерия было на втором плане относительно прибыли, получаемой за счет резкого увеличения урожайности растений и привесов животных. Бесконтрольно применявшиеся в течение десятков лет химические препараты для стимуляции роста, протравливания, дезинфекции привели к мутациям вредных болезнетворных организмов, которые постепенно адаптировались к действующим веществам, что вызвало необходимость увеличения доз, значительно превышающих ПДК.

Безопасность зерна и продуктов его переработки во многом определяют здоровье населения. По данным ООН, в мире от поражения токсинообра-зующими грибами и загрязнения урожая микотоксинами ежегодно теряется 20% зерна злаковых, 12% семян масличных, 10% зерна бобовых культур и более 10% продукции животноводства [74]. В США потери от поражения токсинообразующими грибами достигают 1 млрд долл., в России — около 5 млрд руб. Загрязнение микотоксинами продуктов питания и кормов вызвало появление новых болезней растений, животных и человека, связанных с возникновением новообразований в живом организме. Отравление сельскохозяйственных растений тяжелыми металлами возможно не только при поступлении их через корни из загрязненной почвы, но также и через листья — при опрыскивании посевов удобрениями и пестицидами, при выпадении дождя и т. д.

Исследователями США, Германии, Чехословакии, России установлено, что нитраты и нитриты вызывают у человека много опасных болезней: мет-гемоглобинемию, рак желудка, отрицательно влияют на нервную и сердечнососудистую системы, на развитие эмбрионов. Отравления происходили при употреблении воды и продуктов растительного и животного происхождения с высоким содержанием этих химических веществ. Нитраты проникают как в грудное, так и в коровье молоко. По прежнему происходит интенсивное применение химических средств и препаратов в технологии выращивания культур. После их воздействия и в результате разложения отдельных видов химических соединений или образования новых в пищевой продукции появляются и накапливаются вещества, являющиеся фактически ядами, как для человека, так и для животных. Ассортимент антимикробных и других препаратов для дезинфекции и борьбы с вредителями в последние годы существенно расширяется.

Для изменения такой ситуации необходимо искать альтернативные пути борьбы с вредоносными организмами, основанные не на увеличении концентрации химических препаратов, а базирующиеся на блокировании специфических процессов жизнедеятельности микроорганизмов. Одним из таких путей является применение инновационных электротехнологий: электроактивация водных растворов, озонирование, обработка электромагнитными полями различных частот.

Одним из приоритетных направлений развития сельского хозяйства страны является всемерное развитие кормопроизводства и обеспечение животноводства достаточным количеством высокопитательных кормов. Это ставит перед научными работниками задачу создания эффективных средств механизации процессов заготовки, хранения и приготовления качественных кормов. Такая проблема особенно ярко выражена в последнее время, так как в себестоимости сельскохозяйственной продукции корма занимают до 70% от общих затрат. Скармливание растительных кормов в зимний период является основой обеспечения животных питательными веществами. Правильное сбалансированное минеральное питание дойных коров приводит к их высокой продуктивности. Сбалансированные рационы по питательным веществам приводят к повышению продуктивности животных на 20−30%, снижают расход корма на единицу продукции на 30−50% и ее себестоимость на 20% [17, 51].

В процессе заготовки и хранения кормов потери питательных веществ могут достигнуть более 30%. Консервирование кормов за счет внесения химических и биологических препаратов позволяет сохранность силосуемых кормов довести до 90−92%, а экологически чистый консервант ЭАК доводит сохранность до 95−98% с учетом того, что экологическая чистота консервирования значительно превосходит другие способы.

Исследованиями [10, 11] установлено, что химическая природа дезинфицирующего эффекта электроактивированных растворов сродни антимикробному действию внутренней среды живых организмов — фагоцитозу. Ведущая роль в бактерицидном действии нейтрофилов принадлежит хлорноватистой кислоте НСЮ, вырабатываемой фагоцитирующими клетками. Образование хлорноватистой кислоты в нейтрофилах происходит из перекиси водорода и хлорид-ионов. Большой вклад в применение электроактивированных растворов внес профессор Бахир В. М. и его ученики.

В настоящее время выпускается предприятиями большое количество электроактиваторов предназначенных для работы в различных отраслях производства, в том числе и для сельского хозяйства. Однако применение таких электроактиваторов в сельском хозяйстве показало их низкие эксплуатационные характеристики: не могут работать при невысоком качестве электроэнергиитребуют дополнительное оборудование для очистки первичной воды, а качество воды из артезианских скважин низкое — большое количество солей магния и кальция, имеются механические примеси, часто давление воды в водопроводах колеблется в больших пределахтребуется частая профилактика установок кислотамивысокая стоимость оборудования. Одной из основных причин низкой эффективности работы электроактиваторов конструкции Бахира В. М. — очень малые зазоры межэлектродного пространства, что требует дополнительных затрат при обслуживании. Значительный вклад в разработку электроактиваторов способных работать в сельском хозяйстве внесли профессора Симонов Н. М., Чеба Б. П., Стародубцева Г. П. Оригинальные установки предложили Болтрик О. П., Сюсюра H.A.

Анализ литературных источников показал, что отсутствуют аналитические выражения, связывающие степень активации растворов с величиной потребляемой мощности, нет методики расчета электроактиваторов под заданную производительность и величину водородного показателя.

Научная гипотеза — в условиях сельскохозяйственного производства показатели эксплуатационной эффективности электроактиваторных установок для заготовки кукурузного силоса можно увеличить, модернизировав конструкцию активатора путем увеличения водяных каналов и согласования параметров системы управления с параметрами электроактиватора.

Цель работы — повышение эксплуатационных показателей элекгроакти-ваторных установок для силосования кукурузы путем разработки системы управления с модернизацией конструкции электроактиватора с повышенным межэлектродным зазором.

Задачи исследований.

1. Получить аналитические зависимости потребляемой электроактиватором мощности от величины водородного показателя.

2.Разработать систему управления электроактиватором без нулевого провода максимально адаптированную к сельскохозяйственным условиям, обосновать уровень необходимого диапазона регулирования напряжения.

3. Модернизировать конструкцию электроактиватора с увеличенными водными каналами, экспериментально проверить ее работоспособность.

5.Экспериментально определить параметры предлагаемого электроактиватора и проверить работоспособность схемы управления совместно с электроактиватором.

6.Разработать инженерную методику расчета электроактиватора с улучшенными эксплуатационными показателями.

7. Произвести производственную проверку электроактиваторной установки с анализом качества законсервированного кукурузного силоса.

8.Определить экономическую эффективность внедрения электроактиваторной установки при силосовании кукурузы.

Объектом исследований является электроактиватор водного раствора и система управления его режимом работы при приготовлении анолита для консервирования кукурузного силоса.

Предметом исследований являются показатели эксплуатационной эффективности электроактиватора, параметры самого активатора и его системы управления.

Методика исследований базировалась на математическом анализе, на теоретических основах электротехники, натурном эксперименте, статистической обработке и графической интерпретации полученных данных.

Научная новина работы:

— впервые введен параметр й — удельная энергоемкость жидкости для изменения концентрации ионов, который вошел в формулу расчета мощности электроактиватора в зависимости от требуемого значения водородного показателя для отдельных камер по анолиту или католиту;

— получена аналитическая зависимость для определения значения водородного показателя активатора от его конструктивных, режимных параметров, а также от характеристик проходящей жидкости;

— в качестве режимных параметров введены: напряжение, производительность, постоянная времени по водородному показателю и удельное сопротивление смеси жидкости-газа в камеререгулировку и поддержание выходного значения водородного показателя необходимо проводить по напряжению и с учетом их квадратичной зависимости;

— согласованы параметры схемы управления с параметрами электроактиватора путем расчета углов управления синхроимпульсами тиристоров, что позволяет иметь широкий диапазон управления выходным напряжением, также предложена силовая схема выпрямления с оригинальным включением тиристоров, не имеющая связи с нулевым проводом, что позволяет разгрузить нейтраль сети и равномерно нагружать питающие фазы.

Практическая ценность результатов исследований:

— по предложенным параметрам электроактиваторов можно их конструировать для любых жидкостей и различного назначения с высокоэффективными эксплуатационными показателями;

— разработаны методика расчета электроактиватора, позволяющая получить необходимые конструктивные размеры отдельных составляющих установки, установить режимы работы в соответствии с характеристиками исходной жидкости;

— сконструировано устройство управления электроактиватором с параметрами соответствующими электроактиватору и максимально адаптированное сельским электрическим сетям;

— полученные вольт-амперные характеристики электроактиватора могут быть использованы при определении рационального режима установки при регулировании производительности во время эксплуатации;

— на основе анализа теоретических и экспериментальных данных сделан вывод о возможности расчетов степени активации по полученным формулам как по анолиту так и по католиту, принять значение параметра (I равным 10,1 кДж/кг, что позволит производить расчеты электроактиваторов и на другую производительность.

На защиту выносятся следующие положения:

— аналитическое выражение для расчета параметра й — удельная энергоемкость жидкости для изменения концентрации ионов который вошел в формулу расчета мощности электроактиватора в зависимости от требуемого значения водородного показателя для отдельных камер по анолиту или католиту;

— функциональная зависимость для определения значения водородного показателя активатора от его конструктивных, режимных параметров, а также от характеристик проходящей жидкости;

— установленные режимные параметры электроактиватора: напряжение, производительность, постоянная времени по водородному показателю и удельное сопротивление смеси жидкости-газа в камереосновным регулирующем параметром принято напряжение;

— результаты расчета углов управления синхроимпульсами тиристоров на базе устройства типа БУСТ, предложенная силовая схема выпрямления с оригинальным включением тиристоров, не имеющая связи с нулевым проводом;

— модернизированная конструкция электроактиватора с увеличенными расстояниями от электродов до диафрагмы (рекомендуется 3−5 мм), увеличена длина канала в камерах за счет введения поворотов на всей площади электродов;

— результаты экспериментальных испытаний электроактиватора в лабораторных и производственных условиях;

— методика расчета электроактиватора, его конструктивных и режимных параметров, связанных с характеристиками исходной жидкости;

— результаты сравнения показателей эксплуатационной эффективности электроактиватора типа «АКВА-ЭХА» с предлагаемой установкой получения анолита для консервации кукурузного силоса.

Реализация и внедрение результатов исследований. Электроактиватор с улучшенными эксплуатационными характеристиками внедрен в ЗАО «Прогресс» Гулькевического района Краснодарского края на ферме 1000 голов КРС. Методика расчета электроактиваторов и монография используются в учебном процессе Кубанского ГАУ.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на:

— 4-й всероссийской научно-практической конференции молодых ученых (г. Краснодар, 2010 г.);

— научно-практической конференции СтавГАУ (г. Ставрополь, 2010, 2011 г.);

— международной научно-практической конференции саратовский ГАУ (г. Саратов, 2010 г.);

— научно-практических конференциях КубГАУ (г. Краснодар, 2008 — 2011 г.).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Получена формула расчета мощности электроактиватора в зависимости от требуемого значения водородного показателя для отдельных камер по ано-литу или католиту. В расчетной формуле впервые введен параметр с1 — удельная энергоемкость жидкости для изменения концентрации ионов.

2. Выведена аналитическая зависимость для определения значения водородного показателя активатора от его конструктивных, режимных параметров, а также от характеристик проходящей жидкости. В качестве режимных параметров введены: напряжение, производительность, постоянная времени по водородному показателю и удельное сопротивление смеси жидкости-газа в камере. Регулировку и поддержание выходного значения водородного показателя необходимо проводить по напряжению с учетом их квадратичной зависимости.

3. Разработана схема управления режимами работы электроактиватора. Согласованы параметры схемы управления с параметрами электроактиватора путем расчета углов управления синхроимпульсами тиристоров, что позволяет иметь широкий диапазон управления выходным напряжением, также предложена силовая схема выпрямления с оригинальным включением тиристоров, не имеющая связи с нулевым проводом, что позволяет разгрузить нейтраль сети и равномерно нагружать питающие фазы.

4. Произведена модернизация электроактиватора — увеличены расстояния от электродов до диафрагмы (рекомендуется 3−5 мм), что позволяет подавать напряжение на активатор соизмеримое с напряжением сетиувеличена длина канала в камерах за счет введения поворотов на всей площади электродов, что привело к повышению конструктивного коэффициента и созданию турбулентного движения воды.

5. Подтверждено предположение о равенстве постоянных времени нагрева и водородного показателя. Относительная ошибка расхождения между физическими постоянными не превысила 10%. Анализ экспериментальных данных позволяет сделать вывод о возможности расчетов степени активации по полученным формулам как по анолиту, так и по католиту, и принять значение па.

114 раметра d, равным 10,1 кДж/кг. Относительная ошибка теоретических расчетов не превышает 15%.

6. Анализ вольт-амперных характеристик электроактиватора показывает, что его сопротивление первоначально уменьшается, что закономерно и связано с повышением температуры, а затем постепенно увеличивается. Такое увеличение можно объяснить появлением пузырьков газов — протекание химических процессов первой фазы активации, связанной с появлением газообразного водорода и хлора. В процессе испытаний разработанного устройства управления подтвержден проектируемый диапазон регулирования напряжения и возможность точной установки водородного показателя на выходе электроактиватора.

7. Разработана методика расчета электроактиваторной установки для силосования кукурузы, которая позволяет получить необходимые конструктивные и режимные параметры одновременно с характеристиками активируемой жидкости. На основе данной методики рассчитан и изготовлен электроактиватор производительностью 520 литров в час, проведены его хозяйственные испытания в ЗАО «Прогресс», Гулькевического района на ферме КРС. С помощью данного активатора заготовлено 1600 т кукурузного силоса 1-й категории.

8. На примере мол очно-товарной фермы на 1000 голов КРС произведено сравнение показателей эксплуатационных затрат электроактиваторов и биопрепарата на заготовку кукурузного силоса в объеме 15 000 тонн. Сравнение производилось нового электроактиватора с установкой АКВАЭХА (АГРО) и с использованием экологически чистого биопрепарата БИОТОРФ -111. Было установлено, что применение нового электроактиватора для получения консерванта приводит к удельным эксплуатационным затратам в размере 399,5 руб./м3, а использование установки АКВАЭХА (АГРО) — 669 руб./м3, что в 1,7 раза меньше, чем в предлагаемом варианте. Общие эксплуатационные затраты по новому электроактиватору составили 63 920 руб., по установке АКВАЭХА (АГРО) — 107 040 руб., а по биопрепарату — 214 660 руб.