Стационарное устройство для обработки отработанных почв тепличного хозяйства электрогидравлическим методом

В статье рассматривается вопрос, связанный с заменой отработанной грунтовой земли в тепличных хозяйствах. Такая замена необходима для повышения урожайности этих грунтовых земель. Для этого в работе предлагается использовать эффект Юткина (электрогидравлический эффект). С целью снижения энергоемкости предложена конструктивно-технологическая схема обработки отработанной грунтовой земли тепличного хозяйства с электрогидравлическими разрядниками. Использование электродов типа «диск — стержень» позволит осуществить электрогидравлическую обработку почвы между различными сочетаниями дисков.

Ключевые слова : обработка почвы, электрогидравлический эффект, тепличное хозяйство, урожайность, «диск-стержень».

Введени е. Согласно исследованиям рейтингового агентства РФЦА, в 2008 году в Казахстане насчитывалось 108 тепличных комплексов общей площадью 58,6 га, предназначенных для овощеводства в закрытом грунте. Сегодня только на одном (в Туркестанской области) существует 459,8 га закрытого грунта. В Алматинской области ― 44,9 га, в Карагандинской ― 21,5 га теплиц. Эти теплицы не в состоянии покрыть потребность населения в овощах в период межсезонья. В этот период потребность населения в овощах удовлетворяется лишь на 10 % от необходимого количества. Непрерывное взращивание овощей и других культур приводит к обеднению почвы. При этом растения забирают полезные элементы, в земле появляются и размножаются патогенные микроорганизмы. Для повышения плодородия и качества грунта севооборот в тепличных хозяйствах мало помогает. Кардинально решить проблему способна только качественная замена грунта. Ведь принципиально растению для развития необходима влажность в области корней, питательные вещества и воздух для дыхания [1].

В современных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур энергоемкость обработки почвы составляет до 25 % от суммарных затрат энергии. На фоне непрерывно растущих цен на топливо актуальной является проблема разработки новых технологий обработки и почвообрабатывающих устройств при одновременном увеличении урожайности грунтовых земель тепличных хозяйств.

Целью работы является разработка устройства немеханического воздействия на грунтовую почву теплицы.

Метод решения . Как известно, электрогидравлический эффект (ЭГЭ) или эффект Юткина является новым промышленным способом преобразования электрической энергии в механическую, совершающимся без промежуточных механических звеньев, с высоким КПД. Сегодня уже никто не сомневается в этом. В принципе, сущность этой технологии очень проста и не является дорогостоящей. Таким образом, при осуществлении внутри жидкости, находящейся в открытом или закрытом сосуде, специально сформированного импульсного электрического разряда вокруг зоны его образования, возникают сверхвысокие гидравлические давления, способные совершать полезную механическую работу и сопровождающиеся комплексом физических и химических явлений [2]. ЭГЭ-обработка почвы способствует переходу в водный раствор содержащихся в почве микроэлементов, азота и фосфора, что повышает их дальнейшую усвояемость растениями. Самое главное, что такая обработка происходит немеханическим воздействием на грунтовую почву.

Чтобы усилить эффективность данной технологии, надо усилить эффект гидравлического удара. Это можно сделать, лишь создав все условия для максимально эффективного преобразования электрической энергии в механическую, имея в виду, что искра есть то орудие, которое передает энергию в окружающую жидкость. А поскольку энергия передается жидкости через поверхность канала искрового разряда, то очевидно, что энергия будет тем больше, чем больше будет поверхность. Наиболее существенным при решении этой задачи оказалось то, что искровой разряд развивается в жидкости, а именно в воде, и то, что химические процессы, возникающие при этом, являются фактором, определяющим характер всего процесса преобразования энергии.

Как показывает обзор исследований по использованию электрогидравлического эффекта в агропромышленных отраслях, были обнаружены очень интересные закономерности. Например, что при электрогидравлическом дроблении горных пород и других материалов многие химические элементы и их соединения, входящие в состав этих пород, переходят в воду в виде растворимых соединений в количествах, достигающих 90–95 % от массового содержания их в исходном материале. Переход химических элементов и их соединений в водный раствор объясняется тем, что при электрогидравлической обработке одновременное влияние и сложный механизм всех действующих факторов электрогидравлического эффекта приводят к разрыву сорбционных и периферических химических связей и даже к образованию новых соединений [2]. Эти факты подтолкнули нас к идее использования электрогидравлического эффекта для переработки отработанных грунтовых земель теплицы. Кто занимался выращиванием растений в теплицах, хорошо знает, как тяжело менять отработанную грунтовую землю теплицы. Еще труднее найти урожайный грунт на замену отработанному. Уже такая ситуация является проблемой. Надо отметить, что появление универсальных субстратов на рынке — скорее маркетинговый ход, чем реальная необходимость. Их высокая востребованность заключается в названии. «Универсальный» значит, что в него можно посадить любое растение. Но если первые субстраты были хорошими, то впоследствии их качество сильно пострадало. Под названием «Универсальный субстрат» покупаешь кота в мешке.

Чтобы решить эту проблему, воспользуемся электрогидравлическим эффектом. На рис. 1 показана общая схема стационарного устройства для электрогидравлической обработки отработанной почвы теплицы.

Рис. 1. Стационарное устройство для обработки электрогидравлическим эффектом отработанного грунта теплицы: 1 ― загрузочный бункер; 2 ― отработанная почва; 3 ― электроды типа «диск — стержень» для параллельного разряда; 4 ― подача воды; 5 — шнек выгружающий для обработанной почвы; 6 ― транспортная вагонетка; 7 ― обработанная почва; 8 ― преобразователь напряжения; 9 ― система управления частотой и амплитудой электрических импульсов; 10 ― первичный источник электроэнергии; 11,12 ― электрические изоляторы; 13 ― накопительная электрическая емкость; 14 ― теплица; 15 ― вытекающая вода

Загрузочный бункер (1) заполняется отработанными грунтами теплицы. Такая загрузка осуществляется по линии (2). Грунт, двигаясь вниз по огибающему полу бункера, перемешивается с водой, залитой через трубы (4), подвергается электрогидравлическому воздействию, осуществляемому электродами типа «диск-стержень» (3). После воздействия грунт с помощью шнека (5) выгружается в вагонетку (6) и по линии (7) занимает место отработанной почвы. Замена отработанной почвы теплицы осуществляется без тяжелой техники, чтобы избежать механического воздействия на почву. Электрогидравлический эффект осуществляется по принципу Юткина [2]. При этом очень важен выбор электродов, порождающих электрический разряд (3). При прохождении в жидкости специально сформированного импульсного электрического разряда вокруг зоны его образования возникает область сверхвысоких гидравлических давлений (до 100000 атм.), способных совершить полезную работу [2]. Эффективность ЭГЭ заключается в прямом преобразовании электрической энергии в механическую с высоким КПД . Электрическая схема установки для воспроизведения электрогидравлического эффекта показана на рис. 1 (8, 9, 10, 11, 12, 13). При использовании ЭГЭ в обработке отработанной почвы теплицы ее физико-механические свойства предопределяют амплитуду, крутизну фронта разряда, форму и длительность электрического импульса тока, оказывающих влияние на качество обработки отработанной почвы. Поэтому надо проектировать таким образом, чтобы отрабатываемая почва попадала в нужную зону электродов. Наиболее важными факторами, влияющими на процесс возникновения и протекания электрогидравлического удара, являются влажность и капиллярность почвы.

В ходе исследований установлено, что при пробое жидкости по основной схеме возникает зона высокого давления , имеющая характерную форму (рис. 2). Для наглядности эта зона схематически делится на ряд участков. В соответствии со свойствами зоны выбирается форма электронов. Это очень важно, так как если обрабатываемый объект не попадет в нужную зону, то тогда мы можем не получить нужный нам результат.

По определению Л. А. Юткина, зоны разряда имеют следующие свойства [5].

А — зона искрового разряда; Б — зона разрушения (почти все материалы разрушаются на дисперсные частицы, а жидкость в ней по-видимому, приобретает свойства твердого тела, модуль сдвига жидкости заведомо меньше ранее предложенных 10 ¹⁰ дин/см ² , а время релаксации жидкости много больше, чем также ранее предполагавшиеся 10 ^–10 10 ^–12 сек [3]. Отсюда предположение о возможном приобретении жидкостью в зонах, ближайших к зоне разряда, свойств твердого тела представляется вероятным); Д — зона сжатия (давление очень быстро убывает с увеличением расстояния от источника возникновения). Наблюдается перемещение больших объемов жидкости. Помещение металлов в зону разрушения ( Б ) на расстояние, меньшее половины длины искры, невозможно, так как возникает пробой на металл (замыкание по металлу).

Рис. 2. Вид формы и расположение зон давления вокруг искрового разряда в начальный период: 1 ― электроды; 2 ― зоны давлений

Зоны В , Г , Д, окружающие зону разрушения, имеют соответственно большие размеры и высокие температуры. Мгновенная мощность отдельных импульсов весьма велика. Электрогидроудар — это энергия, сжатая во времени. Для высвобождения всей полезной энергии разряда необходимо растянуть время действия процесса. В нашем случае обрабатываемая почва должна проходит через зоны В, Г, Д. Наши исследования показали, что только в этом случае мы можем получить желаемый результат, так как ЭГЭ-обработка обладает многофакторным физико-химическим воздействием на сложные органические структуры [6]. Как известно, кроме того, почва является полидисперсной системой, в которой высокодисперсная ее часть играет главную роль в питании растений. Поэтому чем выше процент высокодисперсной части почвы относительно всей ее массы, тем более плодородной оказывается почва. При электрогидравлической обработке происходит измельчение большей части почвы до частиц, имеющих диаметр 0,002 мм. Таким образом, размер образующейся поверхности становится большим, чем даже у наиболее высокодисперсных илистых фракций обычной почвы [7]. Таким образом, в условиях электрогидравлической обработки все процессы разрушения сложных почвенных солей, протекающие в естественных условиях чрезвычайно медленно, осуществляются мгновенно. Не менее важно и то, что изменение параметров разряда позволяет сделать эти процессы управляемыми, избирательно влиять на их протекание. Поэтому очень важен выбор формы разрядного электрода.

Рис. 3. Электроды типа «диск — стержень»

На изолированные электроды 1 и 2 подается напряжение и периодически происходит разряд и связанный с ним электрогидравлический удар, производящий интенсивное крошение почвы в зоне обработки. Величину искрового промежутка можно регулировать при помощи резьбового соединения 3. С электродом типа «диск-стержень» можно добиться мощности импульса тока до сотен тысяч киловатт. Крутизна фронта импульса тока определяет скорость расширения канала разряда. При подаче напряжения на разрядные электроды в несколько десятков киловольт амплитуда тока в импульсе достигает десятков тысяч ампер. Все это обусловливает резкое и значительное возрастание давления в жидкости, вызывающее в свою очередь мощное механическое действие разряда. Основным действующим фактором электрогидравлической обработки отработанной почвы теплицы является получение высоких и сверхвысоких импульсных гидравлических давлений при разряде электродов. Это в свою очередь приводит к появлению ударных волн со звуковой и сверхзвуковой скоростями. Именно эти волны будут разрыхлять обрабатываемую почву.

Выводы. Резюмируя работу, можно сказать, что электрогидравлическая обработка почвы способствует экономически выгодному переводу в раствор содержащихся в почве солей и в воздухе азота, фосфора, микроэлементов, которые в растворимом состоянии легко усваиваются растениями. Это крайне необходимый фактор для тепличных хозяйств. Это даст возможность резко снизить потребность тепличной грунтовой земли в удобрениях. Проведенные эксперименты и испытания предложенного устройства позволили разработать ряд электрогидравлических почвообрабатывающих устройств для тепличных хозяйств. Не секрет, что ЭГЭ открывает богатейшие кладовые почвы, переводя содержащиеся в ней питательные вещества в усвояемые растениями формы. В этой работе мы описали первую стационарную установку для тепличных хозяйств, которая подвергает обработке отработанный грунт, а затем в облагороженном и обогащенном виде возвращает обратно. Для тепличных хозяйств это очень важно. Время показало, что покупаемые субстраты не оправдали возложенных на них надежд. По канонам тепличных хозяйств почву нельзя обрабатывать тяжелой техникой. Это резко ухудшает урожайность почвы. Поэтому предложенное устройство с ЭГЭ для обработки отработанных почв теплицы имеет перспективы.

Литература:

1. Гольцова Л. И. ЭГЭ — новое в сельском хозяйстве / Л. И. Гольцова. — М.: Агропромиздат, 1987. — 111 с.

2. Юткин Л. А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности / Л. А. Юткин. — Л.: Машиностроение, 1986. — 247 с.

3. Бабицкий Л. Ф., Куклин В. А. Предпосылки использования электрогидравлического эффекта в механизации обработки почвы. Ученые записки Крымского инженерно-педагогического университета. Выпуск 46. Технические науки, 2014. С.77–79.

4. Бабахан Ш. А., Жапаров Е. О., Шотбаев З. Г. К вопросу получения тепловой энергии с помощью электрогидравлического эффекта. — Казань, «Молодой учёный». № 47 (389). С. 11–13.

6. А. с. 354683 (СССР). Способ получения удобренной почвы / Л. А. Юткин, Л. И. Гольцова. Заявл 07.06.63, № 946809/30–15, Опубл в Б И., 1983, № 20. 71.

7. Панов И. М., Ветохин В. И. Физические основы механики почв. — К.: Феникс, 2008. — 266 с.