НКР 18.03.21 (2). Федеральный научный агроинженерный центр вим
 Скачать 3.16 Mb.
|
|
[Введите текст] МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (МИНОБРНАУКИ РОССИИ) Федеральное государственное бюджетное научное учреждение “ФЕДЕРАЛЬНЫЙ НАУЧНЫЙ АГРОИНЖЕНЕРНЫЙ ЦЕНТР ВИМ” (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ)
Москва – 20__ Оглавление Введение 5 Анализ существующих устройств и технологий применения ЭГ – удара для приготовления питательного раствора 10 1.1 Аналитический обзор влияния органического и минерального вещества в продуктах питания 10 1.1.1 Актуальность круглогодового производства овощей 10 1.1.2 Перспективы развития органической продукции в России 12 1.1.3 Анализ влияния минеральных удобрений на плодородие почвы, здоровье человека, животных 13 1.2 Требования по выращиванию овощей в закрытом грунте 15 1.2.1 Водопотребление в крестьянском фермерском хозяйстве 15 1.2.2 Факторы, влияющие на рост и развитие растений в закрытом грунте 17 1.2.3 Соблюдение качества воды, с целью приготовления питательного раствора для растений 18 1.2.4 Проблема загрязнения водоснабжения 21 1.2.5 Физико-химические способы, применяемые для обеззараживания воды 22 1.2.6 Патентный анализ устройств, применяемых для обеззараживания воды 24 1.3 Существующие устройства и ЭГ технологии для приготовления питательного раствора 28 Выводы по главе и постановка задач по исследованию 31 Разработка технической схемы и режимов обеззараживания воды высоковольтным электрическим разрядом 33 2.1 Обоснование способа обеззараживания воды высоковольтным электрическим разрядом 33 2.2 Параметры и возможные режимы работы электрогидравлической установки 34 2.3 Разработка принципиальной схемы установки для обеззараживания воды высоковольтным электрическим разрядом 39 2.4 Разработка структурной схемы управления для обеззараживания воды высоковольтным электрическим разрядом 41 2.5 Разработка электрической схемы системы управления высоковольтным электрическим разрядом 43 Выводы по главе 45 Планирование и проведение экспериментальных исследований по влиянию параметров и режимов работы установки ЭГ удара на свойства питательных растворов защищённого грунта 46 3.1 Разработка электрогидравлической установки 46 3.1.1 Обоснование схемы для размещения электродов в рабочем органе 46 3.1.2 Моделирование электрогидравлической установки 49 3.1.3 Разработка электрогидравлической установки 53 3.1 Приготовление питательного раствора при помощи электрогидравлической установки 54 3.2.1 Выявление значимых факторов электрогидравлической установки 54 Проведение исследований по обеззараживанию воды с помощью электроискровых разрядов 60 Проведение исследований по измерению электропроводности в воде после электрогидравлической обработки 73 Приготовление градуировочного раствора для рН-метр/иономер по методике РД 52.24.367-2010 75 3.2.5 Теоретическое объяснение возникновения нитратного азота в воде при электроискровом разряде 79 Измерение нитратного азота в воде после электроискровых разрядов 80 Выводы по главе 88 Проведение производственных испытаний и оценка экологической и экономической эффективности применения установки ЭГ – удара для приготовления питательных растворов защищенного грунта 90 4.1 Факторы, влияющие на рост и развитие редиса в закрытом грунте 90 4.2 Проведение эксперимента по выращиванию редиса на кокосовом субстрате 94 4.3 Расчет экономической эффективности электрогидравлической установки для обработки воды 98 Список литературы 105 Введение Актуальность темы исследования. Создание оборудования по получению экологической (органической) продукции является важной социально-экономической задачей Российской Федерации до 2030 года. Россия, Германия, Франция, США, Канада и другие страны снижают применение в закрытом грунте агрохимикатов, пестицидов при выращивании овощей. Ведь это приводит к изменению экосистемы, снижению здоровья нации, ухудшению качества продукции. Экологические продукты ещё называются органическими, биопродуктами – продукты, выращенные без внесения консервантов, пестицидов, ГМО либо со сниженным количеством. Органический рынок один из быстро развивающихся во всём мире. Согласно данным мирового развития с 2000 по 2018 год рынок вырос с 18 до 97 млрд. дол. США и к 2025 году составит около 230 млрд. дол. Лидером по экспорту органических продуктов является США (44,7 млрд. дол. – 40,4%), Германия (12,0 млрд. дол. – 10,9%), Франция (11,3 млрд. дол. – 9,3%), Китай (4,7 млрд дол. – 8,08%). В России данное направление только развивается и за 2019 год составило лишь 20 млн. евро. Существуют различные устройства по приготовлению питательного раствора со сниженным количеством внесения химических элементов. К ним относится: магнитная обработка, УФ (ультрафиолетовая), ЭГ (Электрогидравлическая). Магнитная обработка воды способствует только повышению pH воды. Ультрафиолетовая обработка воды убивает бактерии. Электрогидравлические установки (ЭГ) используются для обработки воды с целью обеззараживания либо для изменения химического состава. Поэтому, разработка электрогидравлического устройства (с двойным эффектом обеззараживания и увеличением нитратного азота) является актуальной задачей для обработки питательных растворов, с целью выращивания органической продукции. Степень разработанности темы. Значительный вклад в исследовании электрогидравлического эффекта и внедрению в сельское хозяйство внесли: Гольцова Л.И., Коликов В.А., Курочкин В.Е.,Лукьянченко П.П., Мальцев В.Г., Рутберг В.Г., Юткин. Л.А., NiuS.Q. Wen C, YanD., ZhaoJ.C., ZhengJ.S. Надо отметить, что на данный момент есть ряд вопросов, которые полностью не изучены учеными. Не исследован полностью состав воды после электрогидравлической обработки, не проведены исследования по влиянию обработанной воды (питательного раствора) на рост и развитие растений в закрытом грунте. Обеззараживающий эффект не установлен для всех видов бактерий, которые могут присутствовать в воде. Диссертация, направленная на решение проблемы по выращиванию органических овощей в закрытом грунте, является актуальной, так как подтверждена, указом президента РФ от 01.12.2016 № 642, законом Российской Федерации «Об органической продукции от 28.07.2018 г» Цель работы – повышение количества производимой продукции в помещениях защищённого грунта и её экологической безопасности за счёт использования электротехнологий при подготовке питающих растворов. Задачи исследования: 1.Провести анализ существующих устройств и технологий применения ЭГ – удара для обработки водных растворов и использования их для полива растений защищённого грунта. 2.Разработать математическую модель распространения электромагнитного поля в водных растворах при электрогидравлическом ударе в заданном объёме. 3.Спланировать и провести экспериментальные исследования по влиянию параметров установки ЭГ удара на свойства питательных растворов защищённого грунта и по определению режимов работы установки. 4.Провести производственные испытания и оценить экологическую и экономическую эффективность применения установки ЭГ – удара для приготовления питательных растворов защищённого грунта. Объектом исследования в диссертационной работе являются электротехнологические процессы электрогидравлической обработки питательного раствора. Предметом исследования диссертации является влияние электротехнологий и режимов работы электрооборудования на состав питательного раствора после ЭГ обработки. Научная новизна заключается в: - разработке математической модели распространения электромагнитного поля в водных растворах при электрогидравлическом ударе в заданном объёме. - разработке электродов находящиеся в электрогидравлической установке для обработки питательных растворов. - обосновании оптимальных параметров и режимов электрогидравлической установки для обработки питательных растворов с целью полива растений в закрытом грунте. Теоретическая и практическая значимость работы заключается в: - разработанной компьютерной модели распространения электромагнитного поля в рабочем органе; - разработанной и изготовленной электрогидравлической установки для обработки питательных растворов с целью полива растений в закрытом грунте; -определении параметров и режимов обработки электрогидравлической установки для получения питательного раствора в закрытом грунте; - в проведении исследований по влиянию электрогидравлической обработанной водой на рост и развитие растений, содержание нитратов в овощах; - определении технико-экономических показателей и внедрения установки в тепличные хозяйства. Методология и методы исследования. Для решения теоретических и прикладных задач использованы следующие методы: метод моделирования электрогидравлического устройства в программе Компас – 3D, метод планирования и проведения эксперимента по плану Плакетта – Бермана, Полный факторный эксперимент (ПФЭ). Для измерения микробиологической загрязненности воды был применен люминометрEnSURE (Hygiena). Содержание нитратов в воде устанавливали за счет pHметр/иономер ИТАН по методике РД 52.24.367-2010 приложению Б.5. Для измерения электропроводности в водных растворах применялся анализатор кондуктометрический многоканальный Атлант 1200. Положения, выносимые на защиту: Разработанная электрогидравлическая установка способствует обеззараживанию и увеличению нитратного азота в воде (питательном растворе). Полученные компьютерные модели распространения электромагнитного поля в рабочем органе позволяют объяснить количественные и качественные результаты. Принимая во внимание, найденные параметры и режимы обработки электрогидравлической установки позволяют выращивать овощи со сниженным количеством химических элементов с целью получения органической продукции. Степень достоверности и апробация результатов. Результаты работы были заслушаны на расширенном заседании отдела Энергообеспечения и электротехнологий ФГБНУ ФНАЦ ВИМ (2018, 2019, 2020 г), а также на Международной научно - технической конференции "Цифровые технологии и роботизированные технические средства для сельского хозяйства" г. Москва ФГБНУ ФНАЦ ВИМ (12.12.2019 - 13.12.2019), II Международной научно - практической конференции "Машиностроение: инновационные аспекты развития" г. Санкт - Петербург, (15.03.2019-15.03.2019), на аграрном конгрессе «Актуальные вопросы развития АПК Ростовской области» в г. Ростов-на-Дону (27.02.2019-01.03.2019), IV Международном интеллектуальном конкурсе студентов, магистрантов, аспирантов, докторантов "University Stars - 2018" г. Москва (25.12.2018 - 25.12.2018), Международной научно-технической конференции "Научно - техническое обеспечение АПК Сибири" г.Краснообск (03.10.2019 - 04.10.2019), Международной научно - технической конференции «Цифровые технологии и роботизированные технические средства для сельского хозяйства» г. Москва ФГБНУ ФНАЦ ВИМ (05.12.2018 - 06.12.2018), 10 - ой Международной научно - технической конференции молодых ученых и специалистов «Агроинженерные инновации в сельском хозяйстве» г. Москва ФГБНУ ФНАЦ ВИМ (30.05.2019 - 31.05.2019), Международной научно - практической конференции "Научно - техническое обеспечение АПК Юга России" г. Зерноград (25.05.2020 - 26.05.2020), Научно-практической конференции, посвященной памяти академика РАСХН, д.т.н., профессора И.Ф. Бородина (90 лет со дня рождения) г. Москва (01.10.2019 - 02.10.2019), Международной научно-практической конференции, посвященной 20-летию первого выпуска технологов сельскохозяйственного производства г. Чебоксары (15.11.2019-15.11.2019), XIII Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития агропромышленного комплекса» посвященной 90-летию ДГТУ (РИСХМ), г. Ростов - на - Дону (26.02.2020 - 27.02.2020), IV Международной научно - практической конференции "Scientific Discoveries" г. Москва (30.01.2019 - 31.01.2019) Публикации. Материалы диссертации изложены в 25 научных статьях, из них шесть работ, рекомендованных ВАК РФ по данной специальности, получено 2 патента на изобретение. Структура и объём диссертации. В диссертационной работе имеется введение, 4 главы, заключения, список литературы. Общее число машинописного текста составляет 119 страниц, в том числе 104 страниц основного текста, 38 рисунок и 21 таблиц. Список литературы составляет 139 источник. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ УСТРОЙСТВ И ТЕХНОЛОГИЙ ПРИМЕНЕНИЯ ЭГ – УДАРАДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПИТАТЕЛЬНОГО РАСТВОРА 1.1 Проблемы и перспективы овощеводство закрытого грунта 1.1.1 Актуальность круглогодового выращивания и потребления органических продуктов питания Согласно данным представленным Росстата в 2018 году, сбор тепличных овощных культур составляет 1082,3 тыс. тонн по сравнению с 2017 года 922,2 тыс. тонн [60], за 2016 год 813,7 тыс. тонн [61]. По статистическим данным приведенным Института конъюнктуры аграрного рынка (ИКАР) за 2018 год сбор овощей недостаточен для самообеспечения страны. В период с марта по октябрь российский рынок обеспечен на 90-95%, с ноября по февраль на 65% [72]. Таким образом, необходимо усовершенствовать тепличное овощеводство, которое будет соответствовать потребностям населения в качественной продукции путем внедрения инновационных технологий. Согласно отчёту Минсельхоза РФ, площадь теплиц для закрытого грунта составляет 2,5 тыс. га это на 10% больше по сравнению с 2017 годом и на 1/4 выше, чем в 2016 года [52]. Таким образом, наблюдается тенденция по увеличению теплиц закрытого грунта, которая позволит в дальнейшем решить проблему с производством овощей во внесезонное время [60]. По данным предоставленным Министерством здравоохранения РФ от 19 августа 2016 г. № 614 [70]. Существуют рекомендации по рациональным нормам потребления пищевых продуктов, потребление овощей – 140 кг/год/чел. По таблице 1.1 можно сделать вывод, что потребление овощей на 1 человека в год повышается, но медленными темпами и всё ещё остается разница в 28 кг. Таблица 1.1 – Потребление овощей в Российской Федерации
Правительством Российской Федерации ставится задача на 10 -15 лет перейти к экологически чистому производству продукции [81]. Органический продукт – продукт, изготовленный при помощи применения технологий, не использующих минеральных удобрений, пестицидов, ГМО либо со сниженным количеством и тд [78]. Также подписан документ «N 1873-р Об утверждении основ государственной политики РФ в области здорового питания населения» [73]. Направлением, которого является: создание регламентов, касающихся продуктов питания. Правительством РФ утвержден документ, что с 1 января 2020 года вступит закон об органической (экологически чистой продукции) от 03.08.2018 N 280-ФЗ [89]. Органический рынок – один из быстро развивающихся в мире. С 2000 -2019 год он увеличился в 7 раз (от 18 до 129 млрд. дол. США), показав рост на 16% с 2018-19 г [189].  Рисунок 1.1 – Статистика мирового органического рынка [189] По прогнозам исследователей, Grand View Research рынок будет расти на 10-12% в год и к 2025 году достигнет около 230 млр. дол. К 2025 году объём рынка по органическим продуктам составит от 3-5% от всего мирового рынка сельхоз продукции. Можно считать, что выращивание органических продуктов питания и потребление актуальное направление, развивающееся не только в России, но и во всём мире. Ведь здоровье людей – это основа не только процветания страны, но и залог благополучия населения. Сохранение, а также укрепление здоровья россиян – ключевой приоритет государства Российской Федерации. Потери урожая от сельскохозяйственных вредителей, болезней и сорняков По данным ООН, ежегодные мировые потери урожая сельскохозяйственных культур от вредителей, болезней и сорняков составляют более 30%. В настоящее время борьба с вредителями складывается в основном из агротехнических, биологических и химических приемов. Однако агротехническими приемами часто не удается подавить массового размножения вредителей или вспышек болезней. Одним из важнейших условий увеличения объема урожая и улучшения его качества является проведение эффективных мероприятий по борьбе с болезнями, вредителями растений и сорняками. Грибковые заболевания, вредители и сорная растительность наносят значительный ущерб производству сельскохозяйственной продукции. По официальным данным ФАО, потенциальные потери урожая от болезней, вредителей растений ежегодно в мире составляют 75 млрд. долларов, или 34,9% урожая, в том числе от вредителей 13,8%, болезней –11,6%, сорняков – 9,5%. Своевременное и эффективное проведение защитных мероприятий позволяет в среднем сохранить с каждого гектара по 2–3 ц. зерна, не менее 5 ц. риса, не менее 15. ц картофеля, овощей, сахарной свеклы, плодов и винограда. В нашей стране потенциальные потери урожая от вредителей, болезней и сорняков составляют 26 % валовой продукции земледелия и оцениваются в 16 млрд руб. Благодаря применению средств защиты растений ежегодно сберегается около 17–18 млн тонн зерна, 10– 11 млн тонн картофеля, 13 –14 млн тонн сахарной свеклы, 1,8–2 млн тонн хлопка и других продуктов растениеводства, всего на сумму более 8 млрд руб. при затратах 1,5 млрд руб. Однако эти величины не являются предельными. Задачей не менее важной, чем обеспечение высокой урожайности сельскохозяйственных культур, является сохранение урожая, в частности защита его от вредителей, сокращение до-минимума потерь при транспортировании и хранении продуктов сельского хозяйства. 1.2 Требования по выращиванию овощей в закрытом грунте 1.2.1 Водопотребление в Крестьянском фермерском хозяйстве При проектировании систем водоснабжения в КФХ необходимо руководствоваться сводом правил (СП) 30.13330.2012. Для полива растений допускается использование воды из открытых водоёмов, в которых отсутствуют возбудители, а качество отвечает требованиям 6, п 6.4 таблицы 11 (таблица 1.2) по методическим рекомендациям (Методические рекомендации по технологическому проектированию теплиц и тепличных комбинатов для выращивания овощей и рассады РД-АПК 1.10.09.01-14). Таблица 1.2 – Качество поливочной воды
Полив растений происходит несколькими способами: капельным поливом, аэрозольным орошением (другое название дождевание), подземным капельным поливом. Аэрозольное орошение применяют редко, так как его недостаток в том, что происходит частое переувлажнение грунта и попадание капель на листья растений. Подземный капельный полив тоже имеет недостатки, который состоит в сложности сборки и установки труб. Поэтому чаше всего применяют капельный полив он позволяет экономить до 30% воды. Капельный полив происходит циклами, продолжительность и кол-во циклов устанавливает агроном самостоятельно. Чаще всего зависит от вида растений и солнечной радиации, приведены нормы полива для овощных культур л/м2, которыми пользуются агрономы (таблица 1.3) [122]. Таблица 1.3 – Нормы полива для овощей л/м2
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||