Нами разработаны специальные добавки на основе функциональной керамики, синтезированной на БСП (г.Паркент) в смазочные и охлаждающие масла, которые позволяют образовывать специальный высокопрочный износостойкий керамический слой на поверхности металла, имеющие очень низкий коэффициент трения, которые не только защищают от неблагоприятных воздействий, но позволяют восстанавливать их геометрические размеры и снижать расход энергии за счет снижения работы по преодолению трения.

В начале 2011 года на базе электромеханической службы Центральной экспертно-аналитической лаборатории ОАО «Алмалыкский ГМК» согласно программе были начаты испытания новой активной керамической добавки (АКД). Целью работы было выявление степени снижения коэффициента трения, восстановления трущихся деталей, сокращения энергопотребления и увеличения рабочего ресурса трущихся пар «металл-металл» электромеханического оборудования. Основной целью работы является выявление и изучение целесообразности использования АКД в смазке трущихся пар «металл-металл» других видов оборудования на комбинате.

Суть данной работы заключается в добавлении к штатным смазкам трущихся поверхностей деталей, узлов и механизмов АКД, которая образует на поверхности трения металлокерамический слой (в основном оксинитрид алюминия, карбиды, оксиды тугоплавких металлов), позволяющий восстановить первоначальные геометрические размеры трущихся деталей, значительно повысить их микротвёрдость, износоустойчивость, коррозионную стойкость и, как следствие  сокращение энергопотребления и увеличение рабочего ресурса.[1,2]

В качестве смазки подшипников (качения, трение II рода) электродвигателей применяются пластичные смазки (солидол, ансол, литол и т.п.). Режим работы оборудования от 4 – 8 часов до круглосуточного. Вследствие длительной эксплуатации и частично под воздействием агрессивной среды происходит износ подшипников, что приводит к увеличению коэффициента трения, износу, потребления электроэнергии и дальнейшему выходу их из строя.

В ходе работ в качестве опытных установок было использовано штатное вентиляционное оборудование, эксплуатируемое в здании ЦЭАЛ. Было приготовлена смесь на основе смазки (ансол) с добавкой АКД в количестве 0,35% (об.). Были отревезированы двигатели рабочих вентиляторов мощностью 3,0,  и 7,5 кВт с полной заменой смазки подшипников качения на вновь приготовленную смесь. Далее вентиляторы эксплуатировались в штатном режиме. Замеры силы тока (I, A) электроизмерительными клещами производились в начальный момент пуска, через определенные промежутки времени после пуска и далее 1 раз в день. Использовалось измерительное оборудование прошедшее поверку и техническое освидетельствование в органах надзора.

Далее приведены предварительно полученные результаты испытаний (таблица1).

Как следует из приведенных данных (таблица1), вентиляционные системы с большим износом потребляют значительно большую мощность – на 13-14% для 7,5 кВт. Однако, доля снижения энергопотребления после приработки с использованием АКД также выше – максимальные значение, соответственно, 7% и 12%. Это связано, вероятнее всего, с некоторым восстановлением геометрических размеров, а также с тем, что микротвердость керамики существенно выше микротвердости металла, что и обеспечивает меньшее трение.

Принятые обозначения:

Δt – снижение температуры в установившемся режиме на двигателе, по сравнению с исходной

I,II,III – Ток потребляемый по фазам.

I ср. – усредненный по фазам потребляемый ток

ΔI – Снижение потребления усредненного по фазам тока относительно исходного

Δ% – снижение потребления мощности относительно исходного значения.

Таблица 1.

Дальнейшим этапом нашей работы наряду с измерением потребляемой мощности, будет измерение уровня шума по мере внедрения АКД в трущиеся поверхности, что является одним из косвенных критериев, позволяющих оценить степень их восстановления.

Также предусмотрено введение второго керамического материала на основе соединений циркония, который имеет кристаллическую структуру отличную от образованных на поверхности пар трения структур и химически не реагирует с этими материалами. Это приводит к тому, что мы получаем «плавающий» слой между трущимися поверхностями, что резко снижает коэффициент трения между ними.

В таблице 2 приводятся результаты, полученные при использовании АКД для относительно новой (№20) и имеющей существенный износ (№25) вентиляционных систем с номинальной мощностью двигателя 3,0 кВт. Хотя начальные токи потребления у обеих систем совпадают, в дальнейшем наблюдается их существенное отклонение от исходных величин. Максимальное значение энергосбережения для новой системы составляет 12,5%, в то время как для старой эта величина находится на уровне 20%. Вероятнее всего, это связано с тем, что во втором случае удается нарастить более толстый слой керамики на поверхности трущихся пар. Однако, это одна из возможных объяснений. Для выявления точного механизма такого явления требуются дополнительные исследования, которые мы намерены осуществить в ближайшее время на модельных системах.

Таблица 2

Кажущееся снижение эффекта снижения потребления энергии 24.012011 года, связано с резким похолоданием в этот день, что вызывает загустевание смазки. Для более объективной оценки применения АКД необходимо использовать смазки, вязкость которых мало зависит от температуры или в условиях постоянной температуры.

Кроме того, АКД было испытанно на водяных насосах.. В качестве смазки подшипников (качения, трение II рода) электродвигателей применяются пластичные смазки (солидол, ансол, литол и т.п.), в промежуточном картере масло И-40. Режим работы насосов круглосуточно-непрерывный в течении 15 дней и далее перерыв на ревизию на 15 дней с переходом на резервный.

В ходе работ в качестве опытной установки был использован водяной насос №2 марки 10НКУ7х2 с электродвигателем мощностью 250 кВт и производительностью 250 м³ /час воды. Были отревизированы двигатель и картер. В оба подшипника двигателя было добавлено по 5 мл, а в картер насоса 20 мл (0,1 % от объема) АКД-1. Далее насос эксплуатировался в штатном режиме в течении 15 суток. Производились замеры вибрации оборудования электронным виброметром в начале, в середине и в конце срока испытаний. Использовалось измерительное оборудование прошедшее поверку и техническое освидетельствование в органах надзора. Предварительный срок испытаний с июня по июль месяц 2011 года. Результаты испытаний приводятся в таблице 3.

 Таблица 3.

Результаты испытаний АКД-1для водяного насоса

Как следует из приведенных данных, уровень вертикальных и горизонтальных вибраций снизился более чем на 2 порядка, хотя количество введенной в смазку АКД-1 составила всего 0,1%. Уровень шума при полной нагрузке обусловлен уже не трущимися частями насоса, а большим потоком воды, переходящим в турбулентный режим. В настоящее время продолжаются ресурсные испытания.

Вывод.

Предварительные результаты  показывают, что специальные добавки на основе функциональной керамики, синтезированной на БСП в смазочные и охлаждающие масла, создавая высокопрочный износостойкий керамический слой на поверхности металла, имеющий высокую микротвердость, низкий коэффициент трения, который защищает от неблагоприятных воздействий, позволяет восстанавливать их геометрические размеры, снижать расход энергии за счет снижения работы по преодолению трения и снизить уровень вибраций.

Настоящая работа посвящена изучению возможности применения пленочно-керамических композитов на основе функциональной керамики для повышения эффективности кремниевых солнечных фотопреобразователей (ФП).

Максимальный КПД фотопреобразователей на основе кремниевых р-п переходов достигнут в лабораторных образцах ~ 24%, в промышленных ~16 – 18%.

Дело в том, что оптимальный диапазон преобразования солнечной энер­гии для кремниевых фотопреобразователей приходится на инфракрасный спектр с малой интенсивностью в солнечном потоке излучения, а поглощение более интенсивных коротких электромагнитных волн спектра солнечного излучения вызывает лишь изменение энтропии кристаллической решетки кремния [2,3].

Таким образом, проблема повышения эффективности фотопреобразователей на основе кремния, предназначенных для массового производства электриче­ской энергии из солнечной, зависит от спектрального состава и интенсивности преобразующей части спектра солнечного излучения. Однако здесь имеется много нерешенных вопросов. Необходимо развивать не только технологические решения конструкции самого фотопреобразователя на основе новых научных подходов, идей и механизмов [4], но также и систем, позволяющих преобразовать неиспользуемую высокоэнергетическую коротковолновую часть солнечного излучения в диапазон, в котором фотоэлементы имеют максимальный КПД. Кроме того, одной из главных проблем является снижение температуры на солнечных батареях, с целью предотвращения потери ЭДС, что не только снижает реальный КПД, но и требует использования дополнительных элементов для компенсации подобных потерь. В частности, для зарядки большинства 12-вольтовых аккумуляторов в оптимальном режиме, требуется 14,2-14,4 Вольта. В то же время, за счет перегрева, ЭДС ФП может снизиться на 18 и более процентов. В этом случае приходится компенсировать эти потери дополнительно включенными последовательно элементами. Тогда при нормальной же температуре,  наоборот, будет наблюдаться значительное повышение напряжения, подаваемого на аккумулятор, что также существенно снижает его срок службы. Таким образом, необходимо найти пути решения стабилизации температуры на ФП, для того, чтобы обеспечить высокоэффективную работу не только по преобразованию солнечного спектра в фототок, но и продления срока службы аккумуляторов. В любом случае мы вынуждены использовать аккумуляторы, так как в ночное время ФП не могут быть использованы, следовательно, необходимо запасать энергию для этого периода времени.

Учитывая сказанное, нами разработан ряд пленочно-керамических композитов, на основе полиэтиленовой пленки и функциональной керамики, которые позволяют решать данную проблему.

В частности, нами был разработан ряд пленочно-керамических композитов, использование которых в системе ФП позволяет в определенных пределах стабилизировать температуру. Настоящая работа посвящена изучению возможности применения таких пленочно-керамических композитов для повышения эффективности преобразования энергии Солнца кремниевыми ФП.

Как известно, повышение температуры фотобатареи на 3-4 градуса, в зависимости от их качества, приводит к снижению эффективности преобразования солнечной энергии примерно на 1%.

В качестве примера приводятся результаты по исследованию особенностей температурных характеристиках для трехслойного каскадного композита. Измерения проводились на устройстве, состоящем из двух одинаковых каркасов размерами 750х750х350 мм³. Один каркас полностью был покрыт трехслойной полиэтиленовой пленкой, причем первый слой представляет из себя полиэтиленовую пленку с добавками, преобразующими ультрафиолетовый диапазон в видимый. Это позволяет не только более эффективно использовать энергию солнечного света, но и защищает саму пленку от фотодеструкции, что значительно продлевает срок ее службы.  Второй каркас покрывался такой же полиэтиленовой пленкой, но нижний слой содержит два вида функциональной керамики. Суммарное содержание керамики в композите 2,5% (масс.) относительно полиэтилена.

Из проведенных исследований следует, что использование композита с каскадным преобразованием при низких температурах окружающей среды, обеспечивает более высокую температуру по сравнению с обычной пленкой на 5-11 градусов, а при относительно высоких значениях температуры окружающей среды, наоборот, более низкую температуру на  9-14 градусов (таблица 1 и рис.1).

Таблица 1.

Разница температур в камерах из чистой полиэтиленовой пленки и трехслойного композита

Рис.1. Разница температур ∆Т в камерах из чистой полиэтиленовой пленки и трехслойного композита в зависимости от температуры окружающей среды Т.

∆Т =Т₁-Т₂, где Т₁ – температура под обычной пленкой, Т₂ – температура под пленочно-керамическим композитом.

Как следует из приведенных данных (рис.1), вначале наблюдается более высокая температура под композитной пленкой, затем, при температуре 15^оС наблюдается перегиб. При  температуре окружающей среды 25-27^оС температура под композитной пленкой и контрольной пленкой выравниваются. Далее, при дальнейшем повышении температуры окружающей среды наблюдается более низкая температура под композитной пленкой. Таким образом, композитная пленка на основе функциональной керамики обладает в определенной степени способностью стабилизировать температуру.

Для исследования влияния пленочно-керамических композитов на эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую, использовалась ФП (рис.2) на основе кремния, производства НПО «Квант» (эффективная площадь 66 см², состоящая из 20 последовательно соединенных элементов, ЭДС при 35^оС – 11 вольт). Измерения проводились в различных режимах, отличающихся тем, что рабочая поверхность ФП накрывалась штатным стеклом или полимер-керамическими композитными пленками.

Режим 1 покрытие штатным стеклом

Режим 2 Покрытие трехслойным пленочно-керамическим композитом с содержанием керамики 2,5% (масс.) в нижнем слое относительно полимера.

Режим 3 Покрытие однослойным пленочно-керамическим композитом с содержанием керамики 1,0% (масс.).

Режим 4 Покрытие однослойным пленочно-керамическим композитом с содержанием керамики 1,5% (масс.).

Режим 5 Покрытие однослойным пленочно-керамическим композитом с небольшим содержанием РЗЭ к керамике. Содержание керамики 0,5%* (масс.) относительно полимера.

Режим 6. То же, что и режим 6, но содержание керамики относительно полимера 1,0%* (масс.).

Режим 7 То же, что и режим 6, но содержание керамики относительно полимера 2,0%* (масс.).

Режим 8 То же, что и режим 6, но содержание керамики относительно полимера 5,0% ** (масс.).

Примечание.

*Использован керамический порошок со средним  размером гранул 0,5 мкм.

**Использован керамический порошок со средним  размером гранул 5 мкм.

Измерения проводились при температуре окружающей среды 35^оС

Рис.2. Внешний вид рабочей зоны фотопреобразователя.

Полученные результаты обобщены в таблице 2.

Таблица 2.

Зависимость основных параметров фотобатареи от режима измерения.

Примечание. ***Числитель – ток при данном режиме, знаменатель – отношение тока при данном режиме к току батареи с покрытием штатным стеклом.

**** Числитель – ЭДС при данном режиме, знаменатель – отношение ЭДС при данном режиме к ЭДС батареи с покрытием штатным стеклом. Измерения проводились при температуре окружающей среды 35^оС.

Измерения температуры проводились оптическим инфракрасным термометром IR-350 производства VOLTCRAFT (рабочий диапазон -50+112^оС, погрешность измерений 0,1 градус).

Зерновой состав определяли с помощью прибора для определения удельной поверхности порошковых материалов типа Т-3, ТУ25-11-779-77.

В результате проведенных исследований, показано, что замена штатного стекла на пленочно-керамический композит, позволяет снизить температуру ФП на 7-15 градусов, при температуре окружающей среды 35 градусов Цельсия, увеличить  ток на 9-18%, ЭДС – на 4-10%.

Была рассчитана суммарная эффективность композитных пленок Р при данной температуре на батарее Т, выраженная как произведение отношения изменения тока и ЭДС относительно батареи, где в качестве покрытия использовалось штатное стекло.

P=(Ii/Io)●(Ui/Uo),

где Ii – ток ФП при данном режиме, Io – ток кремниевой фотоэлектрической батареи без покрытия, Ui – ЭДС ФП при данном режиме, Uо – ЭДС со штатным стеклом. Она возросла при данных условиях на 14-25%, в зависимости от применяемого композита.

Как следует из приведенных данных, максимальное снижение температуры относительно штатного стекла, наблюдается в режиме 7, где используется покрытие однослойным пленочно-керамическим композитом с небольшим содержанием РЗЭ в керамике. Причем, содержание керамики составляет 2,0% (масс.) относительно полимера. В то же время, можно заметить, что в этом режиме снижается ток, вырабатываемый ФП по сравнению с режимами 5 и 6, которые отличаются только лишь содержанием керамики в композите: -  соответственно 0,5%  и 1,0%(масс.). Из сказанного следует, что с увеличением содержания керамики в композите преобразование части солнечного спектра, вызывающего перегрев ФП полнее трансформируется в дальнее инфракрасное излучение, которое не вызывает разогрева, но одновременно идет и преобразование большей части солнечного спектра, который участвует в выработке фототока. Если сравнить суммарную эффективность Р для данных режимов, то четко видео, что режим 6 является наиболее оптимальным.

Режим 8 показывает интересную закономерность. Хотя содержание керамики в данном композите в 2,5 раза выше, чем в композите, который использовался в режиме 7, фототок оказался выше. Следовательно, необходимо подбирать не только концентрацию и состав функциональной керамики в композите, но и проводить тщательный подбор ее зернового состава.

Наихудшим оказался режим 3, но и для него Эффективность Р оказалась выше на 14%, по сравнению со штатным стеклом.

По ЭДС лучшие значения были получены для режима 5, а наихудшие – для режима 3, хотя и в этом случае он превосходит ЭДС ФП при использовании штатного стекла.

Следует сказать, что функциональная керамика с содержанием РЗЭ преобразует коротковолновую часть солнечного излучения, преимущественно, в излучение с длиной волны около 16 мкм, что и позволяет получать более низкие температуры, по сравнению с трехслойным композитом, в котором используется функциональная керамика на основе оксидов железа и других элементов, имеющая максимумы в ИК-диапазоне 3,3 и 9,7 мкм.

Также необходимо учитывать, что для испытаний была использована ФП выпуска более двадцатилетней давности. Ее средний реальный КПД находится на уровне 8%. Современные батареи имеют значительно боле высокий КПД – 15-16%. Нельзя без проведения дополнительных исследований декларировать, что и их КПД возрастет пропорционально, при использовании пленочно-керамического композита, как это наблюдалось для батарей старого типа. Но можно ожидать с высокой степенью вероятности, что даже в этом случае удастся решить проблемы, связанные со снижением ЭДС из-за их перегрева. Нужно также подчеркнуть, что основной недостаток таких покрытий – не обеспечивается достаточная механическая защита элементов от воздействия внешней среды. В связи с этим необходимо обратить внимание на более тщательный подбор полимера с комплексом необходимых характеристик, как по спектральному пропусканию, механической прочности и т.д.

Выводы.

Следует учитывать, что мы привели первые результаты применения пленочно-керамических композитов в полупроводниковой фотоэнергетике. Но даже они показывают насколько перспективно это направление, особенно если учитывать, что кремниевые солнечные фотопреобразователи являются на сегодняшний день одними из самых перспективных систем для преобразования энергии возобновляемых источников, в частности, Солнца. Для более эффективного преобразования солнечной энергии в фототок необходимо развивать дальнейшие исследования как в области создания функциональной керамики и композитов на ее основе, так и в области выбора пленочной компоненты для обеспечения максимальной эффективности, прочности и долговечности.

В связи с этим, совершенствование оптических теплофизических характеристик и снижения стоимости сельскохозяйственных отопливаемых объектов и гелиоустановок со стеклянным, особенно пленочными светопрозрачными ограждениями относится к актуальным вопросам использования солнечного излучения и энергосбережения.

Для прорыва в исследованиях и разработках в этом направлении необходимы новые подходы и идеи, способствующие  созданию дешевых пленочных материалов с оптимальными оптическими свойствами, позволяющими достигать максимальной эффективности использования солнечной и других видов энергии.

Наш подход к решению проблемы состоит в создание композитной пленки на основе энерго-, светопреобразующих керамических порошковых компонентов и полимерных материалов. В настоящем сообщении приводится теоретическая оценка и полученные практические предварительные результаты эффективности применения керамико-полимерной композитной пленки, предназначенной для использования в сельскохозяйственных отапливаемых сооружениях и различных тепличных гелиотехнических устройствах со светопрозрачными ограждениями.

При низких потоках и неблагоприятных углах падения светового потока, композитная пленка показала высокую эффективность по сравнению с пленкой без керамики. Сравнительные испытания эффективности композитных пленок проведены в Германии доктором П.Йоном. Схема установки приводится на рис.1.а,б. На рис 1а-показан макет закрытый сверху прозрачной пленкой, и на рис 1б – пленкой с керамикой.

Выбран следующие условия эксперимента:

• угол падения солнечных лучей на пленки около 30 градусов,
• температура воздуха  вне макета 8^оС,
• небо ясное, безветренно.

A

Б

Рис.1. Схема оценки эффективности пленки с керамикой.

Угол падения солнечных лучей выбран с учетом того, что в весенний период, когда  используются подобные системы, он, приблизительно, 30 градусов.

Если рассмотреть использование солнечной энергии в системе с прозрачной пленкой и пленкой с керамикой, то видно, что в первом случае солнечные лучи проходят через пленку и не падают на черную бумагу преимущественно нагревая боковую поверхность макета. В случае же пленочно-керамического композита, керамика поглощает солнечные лучи и его собственное излучение нагревает черную бумагу.

Время экспозиции выбрано 2 минуты для того, чтобы исключить влияние объемного нагрева и выявить эффективность введения в пленку керамики.

Результаты опыта представлены в таблице 1, которые показывают, что наличие керамического порошка в пленке приводит к повышению температуры пленки и черной бумаги на 15^оС.

Таблица 1

Таким образом, как следует из приведенных данных, 1% добавка керамики в пленку позволяет существенно усилить эффективность использования солнечной энергии, что особенно важно при неблагоприятных углах падения светового потока.

Также мы представляем предварительные результаты по исследованию композита полиэтиленовая пленка-керамика на основе оксида железа с трехслойным каскадным преобразованием солнечного света и исследованы его эффективность в солнечном воздухонагревателе, а также спектральные характеристики.

Каскадный композит состоит из трех слоев.

Первый – полиэтиленовая пленка с добавками, преобразующими ультрафиолетовый диапазон в видимый. Это позволяет не только более эффективно использовать энергию солнечного света, но и защищает саму пленку от фотодеструкции, что значительно увеличивает срок ее службы.

Второй -  является упрочняющим, а также снижает обратное излучение преобразованного третьим слоем видимого спектра в инфракрасное (ИК) излучение. Кроме того, он является дополнительным теплоизолирующим слоем в ночное время.

Третий слой является основным, преобразующим неиспользуемую для фотосинтеза часть видимого излучения в ИК. В его нижнюю часть внедрена функциональная керамика в количестве 2,5% (мас) от массы нижнего слоя пленки.

Общая толщина композита – 100 мкм.

Установка для определения эффективности передачи энергии представляет собой 3 термоизолированных ящика с размерами 700×400х300 мм3. Одна из камер покрыта полиэтиленовой пленкой (контроль), вторая – композитной пленкой, а третья-трехслойной пленкой с каскадным преобразованием. Дно камеры покрыто черной бумагой. Датчики температуры в каждой из камер расположены над черной бумагой и прикрыты экранами, защищающими их от прямого воздействия излучения. Источником первичного излучения является Солнце. Измерения проводили при различных температурах окружающей среды. Полученные результаты приводятся в таблице 2.

В качестве сравнения выбрана однослойная композитная пленка с содержанием функциональной керамики 1,5% (мас) в связи с тем, что она наиболее эффективна в повышении температуры камеры, по сравнению с чистой полиэтиленовой пленкой или подобными композитами при других концентрациях функциональной керамики[1].

Таблица 2. Зависимость температуры внутри камеры от времени экспозиции для различных температурных условий окружающей среды

Примечание. Т₁- температура в камере под полиэтиленовой пленкой;

Т₂ – температура в камере под однослойной композитной пленкой;

Т₃ – температура в камере под трехслойным каскадным композитом;

∆Т₁ – разница температур в камерах для чистой полиэтиленовой пленки и простого композита с содержанием функциональной керамики 1,5 % (мас) ;

∆Т₂ – разница температур в камерах для чистой полиэтиленовой пленки и каскадного композита с содержанием функциональной керамики в нижнем слое 2,5 % (мас) ;

∆Т₃ – разница температур в камерах для однослойной композитной пленкой и каскадного композита с содержанием функциональной керамики в нижнем слое 2,5 % (мас) ;

Как следует из приведенных данных, использование композита с каскадным преобразованием обеспечивает повышение температуры по сравнению с обычным однослойным композитом на 1-7 градусов.

Для более детального выявления механизмов полученного эффекта был проведен дополнительно следующий эксперимент.

После захода Солнца, камеры прогревали воздушным калорифером с терморегулятором до 22^оС и определяли скорость охлаждения в камерах после отключения подогрева. Температура окружающей среды 6^оС.

Полученные данные приводятся в таблице 3.

Таблица 3. Зависимость скорости снижения температуры для камер с покрытием различными пленками.

Т₁ – чистая полиэтиленовая пленка толщиной 100 мкм

Т₂ – однослойный композит толщиной 100 мкм и содержанием функциональной керамики 1,5% (мас).

Т₃ – трехслойный композит с каскадным преобразованием, с содержанием керамики в нижнем слое 2,5% (мас).

Как следует из данных таблицы 2, трехслойный каскадный композит сохраняет температуру в камере значительно эффективнее, чем однослойный композит и чистая полиэтиленовая пленка.

Также были измерены спектры пропускания для обычного композита с содержанием функциональной керамики 1,5% (масс) и трехслойного каскадного преобразователя спектра с содержанием функциональной керамики в нижнем слое 2,5% (мас) относительно чистой полиэтиленовой пленки толщиной 100 мкм. Полученные результаты приводятся в таблице 4. Оптические измерения проводили на приборе КФК-2-УХЛ-4,2.

Таблица 4. Оптическая плотность для различных композитов

Данные таблицы 3 показывают, однослойный композит значительно лучше пропускает длины волн в ультрафиолетовой и коротковолновой видимой области спектра вплоть до 540 нм, а трехслойный композит значительно лучше пропускает длину волны с максимумом 670 нм. Это как раз тот диапазон, который наиболее эффективен для фотосинтеза растений.

Объяснить полученную картину можно следующим образом. Трехслойный композит содержит дополнительный слой, преобразующий ультрафиолетовое излучение в видимое. Вероятнее всего, эта дополнительная энергия, которая впоследствии преобразуется нижним слоем трехслойного каскадного композита является одной из причин более значительного повышения температуры в камере.

Таким образом, как следует из приведенных данных, трехслойный каскадный преобразователь оказался наиболее эффективным из представленных в данном сообщении.

Полученные эффекты можно объяснить следующим образом.

1. Наличие верхнего слоя со специальной добавкой для преобразования ультрафиолетового спектра в видимый повышает эффективность преобразования этой энергии в ИК-излучение нижним слоем, а также возможно, что если этот спектр находится в зоне фотосинтеза растений, может быть использован ими, в то время как ультрафиолетовая часть не осуществляет фотосинтез. Эта часть работы требует дополнительной проверки. Этот же слой повышает срок службы пленки за счет снижения процесса фотодеструкции.

2. Второй слой, толщиной около 30 мкм свободно пропускает видимый свет, который доходит до третьего, преобразующего слоя. Однако этот слой, как и верхний, плохо пропускает дальнее ИК-излучение, что дает возможность более эффективно сохранять температуру в камере после захода Солнца.

3. Нижний слой с функциональной керамикой позволяет преобразовать падающее на него излучение в дальнее ИК-излучение, а находящиеся над ним слои снижают его излучения наружу, повышая, таким образом, эффективность его использования.

Как было показано в [2], свет с длиной волны 620-700 нм способствует переходу фитохрома растений в активную форму, которая позволяет им значительно быстрее развиваться, защищаться от всякого рода заболеваний, так как, в этом случае, процессы развития растений идут настольно быстро, что полностью расходуются питательные вещества и нет среды для развития возбудителей болезней, а реабилитационные процессы идут значительно быстрее.

Наличие же света с длиной волны 750 нм переводит фитохром за счет конформационных изменений в неактивную форму, что резко снижает все биохимические процессы, необходимые для развития растений. Квантовый выход первого процесса около 1, а обратного – около 0,3.

Как следует из данных, приведенных в таблице 3, трехслойный и однослойный композиты имеют четко выраженные пики в диапазоне стимуляции фитохрома. Таким образом, можно ожидать, что развитие растений под такой пленкой окажется значительно эффективнее, чем под обычной полиэтиленовой пленкой. И дело не только в скорости развития, но также и в защите от различного рода заболеваний.

Конечно, следует также сказать и об эффективном повышении температуры в светлое время суток, а также ее сохранения после захода Солнца. Это может привести к экономии топлива на 40 и более процентов. Естественно, это также способствует сохранению экологии.

Таким образом, предложенный трехслойный композит с каскадным преобразованием на основе оксидов железа, хрома, кальция, магния и меди и полиэтиленовой пленки существенно повышает процесс передачи солнечной энергии, и по сравнению с обычной пленкой имеет следующие преимущества:

1. Позволяет эффективнее использовать солнечную энергию при выращивании растений под пленкой.

2. Его эффективность по температуре в камере выше по сравнению с обычной пленкой, что особенно важно, при пасмурной и облачной погоде.

3. Композит, в отличие от обычной полиэтиленовой пленки не запотевает, так как нагревается до более высоких температур под действием солнечной энергии, что затрудняет конденсацию влаги на нем.

4. Обладает хорошей пропускной способностью красной части спектра, необходимой для фотосинтеза растений.

5. По сравнению с однослойным  композитом на той же основе, является более эффективным в повышении температуры в камере, а также значительно лучше сохраняет температуру в объеме камеры после захода Солнца.

6. Позволяет использовать ультрафиолетовую часть спектра, что одновременно повышает срок службы композитной пленки.

7. Максимум пропускания излучения в видимом диапазоне находится в области 620-700 нм, что способствует переходу фитохрома растений в активную форму, которая позволяет им значительно быстрее развиваться, защищаться от всякого рода заболеваний, так как, в этом случае, процессы развития растений идут настольно быстро, что полностью расходуются питательные вещества, и нет среды для развития возбудителей болезней, а реабилитационные процессы идут значительно быстрее.

Изложенное выше открывает широкие перспективы для  массового практического использования трехслойного композита с каскадным преобразованием в парниках, теплицах, водонагревателях, воздухонагревателях, а также в различных аспектах человеческой деятельности.

В результате был получен металло-керамический фото-тепло-фотонный преобразователь. В качестве объекта сушки выбраны уплотненные опилки пропитанные водой.

Установка для определения сушки и эффективности передачи энергии показана на рисунке 1. Источником первичного излучения является Солнце.

Рис.1. Схема установки для сушки.

1-без покрытия, 2-керамическое покрытие, 3-опилки, 4- поддоны, 5-железный лист, 6- черная краска

Таблица 1.

Изменение температуры листа и скорости сушки продукта для черного железа и железа, покрытого с внутренней стороны камеры керамикой.

Условия эксперимента:

Вес поддона 2х82.6 гр.

Продукт – уплотненные опилки пропитанные водой

Лист черного окисленного железа толщиной 0.6 мм. Верх листа окрашен черной НЦ краской

Половина площади нижней части листа железа окрашена керамикой состава n5p

1 – Изменение массы продукта и температуры под непокрытым керамикой листом железа

2 – Изменение массы продукта и температуры под покрытым с нижней стороны керамикой листом железа

Температура листа измерялась пирометром снаружи листа (черная краска)

Температура воздуха 32^оС, облачно.

Рис.2. Зависимость скорости сушки продукта для черного железа и железа, покрытого с внутренней стороны камеры керамикой.

Условия эксперимента:

Вес поддона 2х82.6 гр.

Продукт – уплотненные опилки пропитанные водой

Лист черного окисленного железа толщиной 0.6 мм

Верх листа окрашен черной НЦ краской

Половина площади нижней части листа железа окрашена керамикой состава n5p

1 – Изменение массы продукта и температуры под непокрытым керамикой листом железа

2 – Изменение массы продукта и температуры под покрытым с нижней стороны керамикой листом железа

Температура листа измерялась пирометром снаружи листа (черная краска)

Температура воздуха 32^оС

Таблица 2.

Изменение температуры внешней поверхности листа и скорости сушки продукта для черного железа и железа, покрытого с внутренней стороны камеры керамикой.

Условия эксперимента:

Вес поддона 2х83.5 гр.

Продукт – уплотненные опилки пропитанные водой

Лист черного окисленного железа толщиной 0.6 мм. Верх листа окрашен черной НЦ краской

Половина площади нижней части листа железа окрашена керамикой состава n5p

1 – Изменение массы продукта и температуры под непокрытым керамикой листом железа

2 – Изменение массы продукта и температуры под покрытым с нижней стороны керамикой листом железа

Температура листа измерялась пирометром снаружи листа (черная краска)

Облачно, ветер

Температура воздуха 27-28^оС

Рис.3. Зависимость скорости сушки продукта для черного железа и железа, покрытого с внутренней стороны камеры керамикой.

Условия эксперимента:

Вес поддона 2х83.5 гр.

Продукт – уплотненные опилки пропитанные водой

Лист черного окисленного железа толщиной 0.6 мм. Верх листа окрашен черной НЦ краской

Половина площади нижней части листа железа окрашена керамикой состава n5p

1 – Изменение массы продукта и температуры под непокрытым керамикой листом железа

2 – Изменение массы продукта и температуры под покрытым с нижней стороны керамикой листом железа

Температура листа измерялась пирометром снаружи листа (черная краска)

Облачно, ветер

Температура воздуха 27-28^оС

Данные приведенные в таблицах 1, 2 и на рисунках 2, 3 показывают, что применение функциональной керамики для покрытия нижней части листа, заметно ускоряет процесс сушки. Температура покрытой функциональной керамикой части листа ниже, чем чистой, что обусловлено высокой передачей энергии за счет большего коэффициента излучения функциональной керамики. Характерно, что облачность, ветер и температура окружающей среды, не оказывают заметного влияния на результаты эксперимента – разница в скорости передачи энергии и сушки сохранилась.

Синтезированный и измельченный керамический материал вводили в количестве 0,5-2,0% (масс) в полиэтилен, композит тщательно перемешивали, пропускали через экструдер до получения пленки толщиной 50 мкм.

В результате был получен пленочно-керамический композит с содержанием керамики 0,5; 1,0 и 2,0 % (масс.)

В качестве объекта сушки выбрана морковь, нарезанная кубиками со стороной 5мм.

Рис.4.

Схема установки для сушки показана на рисунке 4. Источником первичного излучения служит лампа 1 мощностью 500 Вт с отражателем О. Интенсивность излучения на поверхности пленок (2 – обычной и 3 – композитной), расположенных на расстоянии 0,8 мсоставляла 1000 Вт/м². Во время сушки температура на поверхности пленок достигала ~40^оС. Одинаковые поддоны с равными массами моркови 5 были расположены на расстоянии4 см от пленок. Через каждые 15 минут измеряли остаточную массу моркови. Данные приведенные на рисунке 5 показывают, что при содержании керамики в пленке 0,5 вес% (кривая 3) сушка происходит быстрее, чем в случае обычной пленки (кривая 1). При 1 вес% керамики через 3 часа достигается полное высушивание продукта и минимальная остаточная масса (кривая 4). Однако увеличение доли керамики до 2 вес% наблюдается резкое снижение эффективности сушки (кривая2).

Рис.5.

 Эффект влияния зерен керамики, содержащейся в пленке, объясняется тем, что керамика, поглощая излучение первичного источника, преобразует его в тепло, которое обуславливает перевод его в импульсное ИК излучение в результате накопления и рекомбинации теплогенерированных электронов в поверхностных слоях зерен, где образуется энергетический барьер из-за наличия градиента концентраций примесей. Что касается снижения эффективности сушки при содержании керамики 2 вес% в пленке, можно предположить, что с повышением концентрации зерен растет создаваемое ими затенение и рассеяние излучения первичного источника и ИК импульсов, что и приводит к уменьшению интенсивности проникающих импульсов ИК излучения, ускоряющего процесс сушки.

ИК-излучение также позволяет ослабить действие ядохи­микатов, р-излучение способствует повышению неспецифи­ческого иммунитета. Установлено, что процедуры воздействия ИК-излучениия ускоряют процесс выздоровления больных гриппо катаром верхних дыхательных путей и могут служить мерой профилактики простудных заболеваний [11].

Однако использование ИК лучей не получило широкого распространения медицинской практике из-за установленного отрицательного действия его коротких лучей, которые вызывают выраженные повреждения глаза и особенно хрусталика [8,9].

С конца 70-х годов внимание ученых было переключено на использование когерентного лазерного излучения. В медицине началась эра лазеров. Однако после многочисленных исследо­ваний посвященных результатам применения лазеров влечении самых различных заболеваний стали появляться статьи, указы­вающие на наличие отрицательного действия лазера на организм.

И опять взоры врачей устремились на использование некогерент­ного инфракрасного излучения и особенно его дальнего диапазона. Рассмотрим механизм действия излучений на организм. Известны несколько видов излучений: гамма, рентген, ультра­фиолет, видимый свет, инфракрасный свет, СВЧ. Излучение характеризуется длиной волны и квантовой энергией. По закону Планка квантовая энергия излучения обратноиропорциональна длине волны. Это значит, что чем короче длина волны излучения, тем больше квантовая энергия. Т.е. гамма лучи самые короткие, но квантовая энергия наибольшая. Как этот закон применяется в отношении действия на биологические объекты? Начнем с того, что организм человека поглощает все виды излучений и в то же время он как и любой живой, так и не живой объект является также источнике ИК-излучения.

В соответствии с вышеприведенным законом, излучение, имеет энергию выше, чем сам объект может оказать на него повреждающее действие Максимум излучения организма человека находится в диапазоне 9.36 мкм. Если в лечении использовать лучи с более короткими волнами, то действие их способствует образованию свободнорадикальных частиц и может провоцировать развитие самых различных патологических процессов. Например, хорошо известен результат действия на организм гамма, рентген лучей. Отрицательное действие на организм оказывают и ультра­фиолетовые лучи, короткие инфракрасные.

Лучи дальнего инфракрасного диапазона имеют квантовую энергию ниже квантовой энергии излучения организма человека и поэтому они не могут оказывать повреждающего действия на ткани и молекулы организма человека. Установлено, что приме­нение этого излучения способствует повышению регенерационных возможностей тканей организма, снижению уровня свободных радикалов.

Следующим шагом в развитии ИК-технологии для при­менения в медицине можно назвать разработанные в институте Материаловедения АН РУз керамические материалы, способные преобразовывать излучение, получаемое от источника света (галогенные или другие виды ламп) в узкие спектры дальнего инфракрасного диапазона. В зависимости от вида используемой керамики можно получить излучение оказывающее действие на процессы, находящиеся в резонансе с получаемым излучением, т.е. излучение, имеющее узконаправленное действие. А так как получаемое излучение имеет квантовую энергию равную или ниже квантовой энергии излучения человека, то оно не может оказывать повреждающие действия на физиологические процессы [11]. В настоящее время имеется 4 типа керамических материалов.

Керамика серии К (CK). Экспериментальные исследования, про­веденные на здоровых мышах, показали, что все излучатели обладают иммуностимулирующим эффектом. Наиболее он выражен у излучателя КН, который повышает иммунный ответ к эритроцитам барана в 3 раза, а излучатель KB — в 2 раза, а излучатель KL — в 1.4 раз. Изучение иммунного ответа у мышей, которым вызывали различные виды вторичных иммунодефицитных состояний (голодание, токсический гепатит, после введения иммунодепресанта иммурана) показало, что излучатели серии К (KL – в 2 раза; КВ-2.3 раза; КН – в 2,9 раз) повышают угнетенный к эритроцитам барана иммунный агвет и способствует восстановлению антитело-генеза в селезенке, что существенно повышает иммунологическую реактивность [11].

Керамика серии G(BM). Экспериментальные исследования, проведенные на крысах с хроническим отравление алкоголем и актелликом, выявили, что данное излучение оказывает антио-ксидантное и антитоксическое действие, активизирующее действие на моно-оксигеназную систему печени, способствует повышению подвижности сперматозоидов [10].

Клинические наблюдения за больными отметили, что применение излучения на область раны способствует более быстрому очищению раны от гнойного отделяемого и ускорению процесса регенерации, снижению лимфоцитарного индекса интоксикации (ЛИИ), что приводит к заживлению раны первичным натяжением значительному сокращению сроков лечения. Использование этого излучателя в послеоперационный период приводит к снижению числа послеоперационных воспалительных осложнений. [5,11]

Керамика серии R(AV). Исследования, проведенные при наблюдении больны созлокачественными опухолями различной локализации, свидетельствует нормализации уровня СОД после лечения излучателем. RC у 80% больных. [13]

Керамика серии Z(DS). Экспериментальные и клинические исследования показали возможность использования этого вида излучения для профилактики спайкообразования в послеопреационном периоде. [5]

Более эффективным является комплексное использование излучателей.

Использование излучателей GI и KL в комплексном лечении пневмонии, бронхита у детей способствовало не только нормализации числа Т-лимфоцитов, но и субпопуляций. Также у больных отмечалось достоверное повышение уровня В лимфоцитов (с 9,4+0,3% до 12,8+0,7%; в группе контроля – до 11.9+0.6%). Содержание иммуноглобулинов А и П достоверно повышалось, a IgM приближалось к уровню нормы, что указывало на редукцию воспалительного процесса. У детей больных пневмонией также отмечалось повышение числа фагоцитов, которое приближалось к уровню нормы; повышение фагоцитарной активности лейкоцитов и циркулирующих антител. Применение узкоспектрального ИК (GI и KL) способствовало положительному влиянию и на процессы перекисного окисления липидов. У больных отмечалось достоверное повышение каталазы и пероксидазы, а содержание Д снижается у больных осложненной пневмонией до 12,3+0,37 нмоль/мл.эр. (Р<0.001). [6]

Нормализация уровня Т и В лимфоцитов и сокращение сроков лечения отмечалось и при применении этих видов излучателей в комплексном лечения псориаза. Использование излучателя GI у больных с очагами хронической инфекции способствовало значительному повышению эффективности терапии и сокращению периода обострения заболевания [1,2].

При лечении перитонитов были использованы излучатели G1 и RC. результате в этой группе больных отмечены: достоверное снижен среднемолекулярных пептидов и сорбционной способности эритроцитов нормализация показателей супердисмутазы и каталазы, что привело к улучшению окислительно-восстановительных процессов и способствовало значительному уменьшению осложнений и сокращению сроков лечения. [5]

На уменьшение числа послеоперационных осложнений указывают результаты полученные при проведении операций по поводу ликвидации остаточных полостей после эхинококк-эктомии.[12]

При лечении диабетической гангрены применялись излу­чатели GI и RC а до восстановления гемодинамики — ZB. В результате проведенной терапии отличные результаты были получены у 32.4%, хорошие — 59.5%. В контрольной группе эти показатели составили 26.4% и 40.5% соответственно. [4]

Комплексное использование излучателей при лечении витилиги способствовало появлению репигментации у 52.6% после первого курса терапии и 80.8% после третьего курса терапии.[7]

Таким образом, узкоспектральное инфракрасное излучение, получаемое результате преобразования света функциональной керамикой, оказывают разнонаправленное действие на патологические процессы в организме, способствует уменьше­нию воспалительного процесса, активизирует окислитено-восстановительные реакции, поэтому может быть использована при лечении различных заболеваний существенно повышая эффективность проводимой терапии и сокращая сроки лечения.

Например, при сушке хлопка-сырца традиционно используется конвективная сушка, в котором применяется способ нагревания воздуха с помощью сжигания жидких видов топлива. Существенными недостатками данной технологии является, во-первых, сжигание дорогостоящего топлива, во-вторых, нарушение экологии, в-третьих, низкий коэффициент полезного действия процесса. Кроме того, для транспортировки сырья в процессе сушки необходимо использовать также в относительно больших объемах электроэнергию. По традиционной технологии обычно транспортировка хлопка-сырца осуществляется в трубе, где в качестве активного элемента используется шнек. Это не только создает высокое трение  между хлопком-сырцом и соприкасающимися деталями и стенками трубы, но и приводит к резкому увеличению потребления электрической энергии для преодоления сопротивления, а также снижает качество целевого продукта, так как при этом наблюдается смятие, разрыв волокон, повреждение семян и др. Кроме того, трудно достичь низкой влажности конечного продукта, что приводит к развитию бактерий вызывающих резкое снижение качества хлопка-сырца при хранении, а также опасность его возгорания за счет саморазогрева.

Авторами разработана специальная функциональная керамика, использование которой в процессах сушки позволяет значительно повысить эффективность процесса с одновременным сокращением времени сушки, а также обеспечивает высокое качество конечного целевого продукта [1].

Керамические материалы расчетного состава синтезировали плавлением на Большой Солнечной Печи (г. Паркент) как указано в [1]. Полученную плавленую керамику измельчали в порошок с размерами зерен 1-10 мкм и, используя связывающую добавку, наносили на поверхность кварцевых трубок, внутри которой была помещена нихромовая спираль. Толщина керамического слоя составляла ~20-40 мкм.

Хлопок-сырец и семена помещались на сетчатом поддоне, чтобы излучение ИК-преобразователей могло обрабатывать целевой продукт с двух сторон.

Результаты проведенных лабораторных исследований ИК-сушки первоначального образца хлопка-сырца (содержит и семена) влажность которого составляла 12% приведены в нижеследующей таблице 1

Таблица 1

Сушка хлопка-сырца с начальной влажностью 12%

Рис.1. Сушка семян хлопчатника с начальной влажностью 8,70%

Рис.2. Сушка семян хлопчатника начальная влажность 13%, сорт 4.

Таблица 2.

Сушка семян хлопчатника с начальной влажностью 8,70%

Таблица 3

Сушка семян хлопчатника с начальной влажностью 13%, сорт 4

Рис.3. Сушка хлопчатника сорт 1 и 5.

Таблица 4.

Сушка хлопка-сырца сорт 1 и 5.

На рис.3 и таблице 4 приводятся данные по сушке хлопка-сырца 1 и 5 сортов.

Как следует из приведенных данных, достаточно 1-2 минут для получения оптимальной влажности хлопка-сырца для дальнейшей переработки.

На рис. 1-3 и таблицах 2-4 приводятся результаты сушки семян хлопчатника методом сушки с применением функциональной керамики.

Как следует из приведенных данных, скорость сушки является очень высокой, а качество высушенных семян оказалось выше, чем по традиционной технологии (исследования проводились экспертами ХАБ «Фаргонапахтасаноат».

Также из приведенных данных можно видеть, что скорость сушки хлопка-сырца 5-го сорта несколько выше, чем хлопка-сырца первого сорта. Вероятнее всего это связано с наличием большего числа повреждений, что способствует более быстрому удалению влаги через поврежденные зоны.

В таблице 5 приведены расчеты экономических показателей традиционной и ИК сушки одной тонны хлопка-сырца при уменьшении влажности на 1-3%.

Таблица 5

Расчеты экономических показателей традиционной и ИК сушки одной тонны хлопка-сырца при уменьшении влажности на 1-3%.

Как следует из приведенных данных, при сушке с использование функциональной керамики суммарный расход энергии в 9,4 раза меньше, чем при традиционном способе.

Следует подчеркнуть, что в этом случае не только не требуется сжигания жидкого топлива, но и затраты электроэнергии значительно снижаются (более, чем в 2,3 раза), по сравнению с традиционной сушкой.

В настоящее время на хлопкоочистительных заводах Республики Узбекистан установлены по две волокноотделительных машин марки ДП-130 или ДПЗ-180, сменная производительность которых, в зависимости от сорта хлопка сырца составляет 70-90 тонны. Расчеты показали (таблица 5), что для уменьшения влажности хлопка-сырца на 1-3 % скорость движения транспортерной ленты должно быть примерно 2 м/мин. Для обеспечения бесперебойной работы батареи джинов ширина ленточного транспортера должна быть не менее100 см, длина конвейера 10-12 м.

При необходимости, в зависимости от уровня влажности хлопка-сырца, можно изменить интенсивность ИК-излучения, длину/ширину или скорость транспортерной ленты.

Исходя из приведенных результатов, можно заключить, что на сегодняшний день предложенный метод сушки семян хлопчатника является одним из наилучших и экономичных. В последующих публикациях будет показана возможность одновременной предпосевной стимуляции семян хлопчатника в процессе их сушки.

Выводы.

Вывод. Применение функциональной керамики в устройствах сушки хлопка позволяет:

1. Снизить расход электроэнергии более, чем в 2,3 раза
2. Исключить сжигание жидкого топлива
3. Снизить суммарный энергетический расход в 9,4 раза
4. Значительно упростить технологию
5. Повысить надежность оборудования и значительно снизить его материалоемкость.
6. Обеспечить экономичную сушку с минимальным содержанием влаги для предовращения развития микроорганизмов и самовозгорания хлопка-сырца при хранении.
7. Провести одновременную глубокую стерилизацию конечного продукта в процессе сушки

Настоящая статья посвящена механизму светоимпульсной стимуляции предпосевной обработки семян для ускорения роста, развития, повышения урожайности, сокращения вегетативного периода, повышения устойчивости к заболеваниям.

Данный метод может быть применен практически для любых культур, но мы рассмотрим его эффективность и механизм на примере хлопчатника, как основной возделываемой культуры в нашей стране.

Для того, чтобы разобраться в механизме светоимпульсной стимуляции семян хлопчатника, рассмотрим за счет каких процессов идет их развитие. Известно, что семена хлопчатника содержат значительное количество запасного жира – 40-45%, запасного белка -40-42%, клетчатку, микроэлементы, активные вещества – остальное.

Прорастание семян начинается в тот момент, когда под действием благоприятных внешних условий соответствующие ферменты расщепляют запасной жир, белок и углеводы. При этом образуются продукты распада, которые можно рассматривать как «кирпичики» из которых по коду ДНК формируется растение.

Исходя из сказанного, можно сделать вывод, что чем быстрее будут расщепляться запасные вещества, тем больше мы получим продуктов, необходимых для роста и формирования растений и, следовательно, тем быстрее будет идти развитие растения.

Запасной жир расщепляется ферментами липазами, запасной белок – протеазами, а углеводы – амилазами. Учитывая, что хлопчатник является масличной культурой, то справедливо предположить, что уровень липазной активности объективно покажет нам скорость развития растения в начальный период вегетации. В дальнейшем, когда растение уже взойдет, его развитие будет происходить за счет фотосинтеза.

Для понимания процесса светоимпульсной стимуляции семян, необходимо сказать еще об одном веществе, которое находится в любом растении и управляет его развитием на начальных этапах. Это, так называемый, фитохром, с молекулярной массой 240000 дальтон, который может принимать два конформационных состояния. Первый – неактивное, второе – активное. При облучении семян светом с длиной волны 660 нм фитохром переходит в активное состояние, но если его и дальше продолжать облучать в этом спектральном диапазоне, то он разлагается. Облучение же семян светом с длиной волны 730 нм, переводит его в неактивное состояние. Квантовый выход первого процесса около 1, а для обратной реакции квантовый выход около 0,3. Таким образом, облучение белым светом позволяет, в конечном счете, активировать фитохром.  В активном состоянии фитохром стимулирует рост и развитие растений из семян, а в неактивном – блокирует эти процессы.

С чем же связано такое поведение фитохрома? Как отмечалось выше, ферменты используют запасные жир, белок и клетчатку для создания необходимых веществ из которых по коду ДНК происходит рост и развитие культуры.

Так как хлопчатник является масличной культурой, то в качестве основных, ответственных за его развитие, рассмотрим липолитические ферменты.

В покоящихся семенах хлопчатника липолитические ферменты находятся в слепленном по 4 активными центрами внутрь. В этом случае, жир не может попасть в активный центр фермента и процесса расщепления не происходит. При активации семян за счет благоприятных условий, происходит распад липолитического комплекса на 4 фермента. В этом случае, активный центр их доступен для запасного жира и происходит его расщепление с образованием необходимых компонентов для роста и развития растения. То же самое происходит и с протеазами и белками, а также с амилазами и углеводами. Теперь в семенах имеется все необходимое для роста и развития растения.

Фитохром, переходя в активное состояние позволяет с высокой скоростью расщепить комплекс из 4 ферментов с блокированными активными центрами и, таким образом, запускает механизм роста и развития растения. Схематически это показано на рисунке 1.

Схематически это показано на рисунке 1.

Рис.1. Схема конформационных переходов фитохрома и активация липазы.

Типичный ход кривой индукции липазной активности от времени проращивания необлученных и облученных импульсным концентрированным светом (ИКС) ксеноновои лампы семян хлопчатника приведен на рис.2.

Как можно заметить из приведенных данных, в покоящихся семенах уровень липазной активности является не очень высоким. При проращивании семян на свету липазная активность вначале умень­шается (первый день прорастания), а затем быстро растет, дос­тигая максимального значения на 4-5 день. При проращивании тех же семян в темноте липазная активность достигает своего макси­мального значения (Амах) уже на 3-4 день, а максимум имеет более высо­кое значение. Независимо от условий проращивания (на свету или в темноте) предпосевная обработка семян хлопчатника импульсным концентрированным светом повышает значение максимума липазной активности. При этом существенно сокращается время Тм, необхо­димое для достижения максимального значения. Высокий уровень липазной активности означает увеличение интенсивности гидроли­за запасных липидов семян, а, следовательно, и интенсивности их массо- и энергоснабжения. Выигрыш во времени для обеспечения максимальной липазной активности облученных семян при дальнейшем развитии растения приводит к более раннему наступлению фаз он­тогенеза, а как следствие этого возможность получения более ран­него урожая. В таблице I представлены данные по сопоставлению максимального уровня липазной активности (Амах), Тм с такими основными показателями, как всхожесть и урожайность хлопчатника.

Рис. 2. Зависимость липазной активности от времени проращи­вания семян: I – контроль на свету, 2 – контроль в темноте, 3,4 – семена облучались ИКС: 3 – проращи­вание на свету, 4 – проращивание в темноте

Таблица 1. Зависимость урожайности, всхожести, а также величин Амах и Тм от длительности предпосевного облучения семян хлопчатника.

Из представленных данных следует, что между динамикой изменения липазной активности и такими показателями, как всхо­жесть и урожайность растений существует строгая корреляция: чем выше значение максимума липазной активности и чем ниже ве­личина Тм, тем лучше всхожесть и выше урожайность.

Таким образом, максимально достигаемое при проращивании семян хлопчатника значение липазной активности Амах и время, необходимое для его достижения (Тм) являются характеристичес­кими параметрами и отражают в определенной мере эффективность оказываемых воздействий.

В таблице П приводятся наиболее опти­мальные параметры ИКС   по наивысшему уровню Амах для четырех сортов хлопчатника. Как следует из приведенных данных, для опушенных семян требуется несколько большая концентрированность, чем для оголенных.

Таблица 2. Оптимальные параметры для ИКС-облучения для различных сортов хлопчатника.

Это объясняется тем, что часть света задер­живается и рассеивается линтом. Изменение какого-либо из трех параметров ИКС (частоты, времени облучения или концентрированности) от значений приведенных в таблице II приводит к снижению величины Амах даже при варьировании двух других параметров.

Как было сказано выше, излишнее время облучение приводит к разложению фитохрома, что не позволяет добиться наилучших результатов. Связано это с тем, что энергия света с длиной волны 660 нм достаточна для разрыва связей в фитохроме.

В результате многолетних исследований, нами были получены керамисечкие материалы, позволяющие преобразовывать широкий спектр излучения первичного источника энергии в узкоспектральное инфракрасное излучение, причем, в импульсном режиме [1]. В результате удалось создать такой материал, излучатель на основе которого вырабатывает два мощных импульса в диапазоне 16,00 и 16,25 мкм, длительность каждого из них около 12-13 микросекунд с небольшой паузой (около10-12 микросекунд между ними.  На основе этого материала, с добавлением его в определенных пропорциях в нейтральный (в спектральном отношении) керамический материал, был изготовлен излучатель, использование которого позволило стимулировать семена хлопчатника за счет активации фитохрома. Из-за низкого уровня энергии используемого излучения, не происходит распада фитохрома. Это позволяет получить значительно более высокие значения максимальной активности ферментов (92-96 против 72 для обычной стимуляции), а также не опасаться снижения эффекта стимуляции за счет распада фитохрома при увеличении времени обработки семян. Максимум липазной активности в этом случае достигался за 1,5-1,8 суток. Подробнее о механизме светоимпульсной стимуляции можно прочитать в [2].

Таким образом, предпосевная светоимпульсная стимуляция семян хлопчатника позволяет при тех же энерго- и ресурсо- затратах получить существенную прибавку урожая при значительно меньшей трудоемкости. К положительной стороне светоимпульсной обработки семян, следует также отнести и то, что растения практически не болеют, с одной стороны из-за того, что высокая скорость развития обеспечивает им опережение по потреблению основных веществ быстрее, чем это делают факторы, вызывающие заболевания, а с другой стороны, при обработке инфракрасными импульсами происходит стерилизация семян, основанный на следующих механизмах.

Любой организм, будь то бактерия, грибок, вирус и т.д. размножается, копируя ДНК или РНК. Копирование включает процесс синтеза. Этот синтез осуществляется определенным ферментом. В момент копирования идет рост цепи ДНК или РНК. Этот рост идет через образование фермент-субстратного комплекса, который, в момент роста, представляет из себя все удлиняющийся радикал. Импульсная керамика образует из липидов или супероксидов вспомогательные радикалы, которые затем, второй импульс вынуждает рекомбинировать с растущими радикалами (фермент-субстратные комплексы), превращая их в устойчивые молекулы, неспособные к дальнейшему росту, оставаясь на уровне белка, который уже организм растений и животных может использовать в качестве энергетического или пластического материала для своих потребностей. Таким образом, вся инфекция полностью погибает.

Кроме того, созревание наступает на 10—14 дней раньше, что позволяет осуществлять более ранний сбор урожая, при благоприятных погодных условиях. В конечном счете, мы получаем продукцию существенно лучшего качества при меньших затратах.

Для дальнейших испытаний, изготовлен специальный сушильный шкаф “МОНСУН”, основанную на использовании функциональной керамики, разработанной в лаборатории №1 Института Материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии Наук Республики Узбекистан.

Шкаф позволяет сушить до 75 больших катализаторов размером: 600 мм. х 70мм. х 70мм. Габариты рабочей зоны шкафа (640мм. Х 1000мм. Х 1750мм.), разделены на  пять полок. Габаритная мощность шкафа 8040 Ватт.  Сушка контрольных образцов катализаторов в этом шкафу, показала следующие результаты по динамике процесса.

Цель работы – динамика процесса сушки. Исходная влажность катализатора 27%. Окончательная влажность, около 3%. Температура образцов 50-55 градусов Цельсия.

Таблица 1. Динамика сушки образцов катализатора на 1-й, 2-й и 3-й полке.

В таблице 2, представлена динамика процесса сушки, при стабилизации температуры образцов на уровне 42-46 градусов Цельсия. Исходная влажность катализаторов 27%.

Из таблиц 1 и 2 видно, что сушка катализаторов в специальном шкафу с элементами покрытыми функциональной керамикой, оказалась высокоэффективной. Время сушки по сравнению с сушильным шкафом “ВОСТОК”, снизилось в 4 раза, с 12 часов до 3-х часов в специальном шкафу.

По сравнению с обычными методами сушки используемыми фирмой SIEMENS , время снижается с 240 часов до 3-х часов. Время сушки сокращается в 80 раз.

Расход электроэнергии в пересчете на один катализатор составляет 321,6 Ватта за 3 часа работы шкафа.

Таблица .2. Динамика процесса сушки, при стабилизации температуры образцов.

На один катализатор необходимо затрачивать в час 0,1 кВт/час электроэнергии, весь процесс сушки получается экономически недорогим.

Сушка древесины

В этом же шкафу “МОНСУН”, были проведены контрольные сушки древесины.

В таблице 3 представлен  процесс сушки  продукта ( ПИХТА).

• Температура помещения 27 градусов Цельсия. Сушка без вентиляции.
• Влага в помещении перед началом процесса сушки 60%.
• Влага в помещении в конце процесса сушки 80%.

Таблица 3. Сушка древесины ( ПИХТА).

Сушка проводилась при импульсном подводе энергии (ИК), 30 минут активный режим, 30 минут пассивный и т.д.

Таблица 4. Энергетические параметры процесса сушки.

Сушка прошла за 3 часа 30 минут, из которых активное время работы шкафа составило 2 часа.

В таблице 5, представлен процесс сушки дерева (ЕЛЬ), при начальной влажности 20% и включенной вентиляции 25 куб. м. в час. Брус размером 30мм. х 100 мм. х 900мм.

Сушка проводилась при импульсном подводе энергии (ИК), при повышенной температуре, 10 минут активный режим и 20 минут пассивный и т.д.

Так же в шкафу “МОНСУН” проведена сушка древесных опилок.

Исходная влажность опилок 20%. Окончательная влажность 2-3%. Время сушки, менее 30 минут.

Таблица 5. Сушка древесины (ЕЛЬ).

В этом же шкафу был проведен тест по сушке фарфора. Две свежеизготовленные тарелки и чашки, примерно 20% влажности, поместили в сушильный шкаф. Сушка была закончена в пределах первого часа. Остаточная влажность (измеренная по весу) составила около 0-1%. Обычно сушка фарфоровых изделий длится около 24 часов, до влажности около 3%.

Таким образом, применение функциональной керамики в процессах сушки катализаторов и древесины позволяет не только значительно снизить знергозатраты и сократить время сушки, но и обеспечивает высокое качество целевого продукта, недостижимое при использовании традиционных методов сушки.