Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности

Электрогидравлические почвообрабатывающие устройства

В процессе исследований было обнаружено, что при электро- гидравлическом 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. Так, при электрогидравлической обработке угля выделяются более 50 % содержащегося в нем германия и еще 26 элементов в виде различных их соединений [38], а при электрогидравлической обработке гранита — до 90 % урана и еще большее количество различных элементов в виде их соеди­нений, растворенных в воде. При этом чем беднее как руда будет данная горная порода, тем интенсивнее и с меньшими затратами энергии происходит выделение из нее в раствор содержащихся в ней химических элементов. С этой точки зрения все наши почвы являются бедными «рудами», и поэтому выделение в раствор содержащихся в почве элементов должно проходить весьма эффек­тивно. Уже первые опыты по электрогидравлической обработке почвы полностью подтвердили это предположение.

Исследованиям были подвергнуты 14 образцов почв различных климатических зон СССР. Образцы обрабатывались в порцион­ной электрогидравлической дробилке при одинаковом режиме: и = 40 кВ; С = 0,1 мкФ; /=15 мм с одинаковым в каждом опыте соотношением твердой и жидкой фаз. Анализами было установле­но, что в результате обработки из почвы в растворимое в воде состояние переходит более 30 химических элементов в виде раз­личных соединений, а всего из 1 т почвы могут быть получены десятки килограммов этих элементов в растворимых соедине­ниях вместо около 250 г при естественном растворении.

Дальнейшие исследования показали, что процесс разложения нерастворимых почвенных солей вызывается комплексным дейст­вием ряда факторов, составляющих электрогидравлический эф­фект. Так, специфика получения сверхдлинного разряда в воде обусловливает преобладание в зоне разряда анионов ОН-, которые интенсивно переходят в перекись водорода, в свою очередь распадающуюся на Н20 и О, что вызывает энергичное окисление образовавшимся активным атомарным кислородом до этого нерас­творимых и труднорастворимых солей почвы.

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.

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.

Образовавшиеся высокодисперсные частицы активно взаимо­действуют с соединениями, перешедшими в раствор, в силу чего такие процессы, как растворение и сорбция, количественно воз­растают.

Опыты показали, что при электрогидравлической обработке воды, взятой из любого водоема, в ней быстро увеличивается число растворимых соединений азота. При очень небольших затратах энергии число растворенных в воде соединений азота может воз­расти в 300 и более раз. Вода превращается в азотное удобрение и по существу может в некоторых случаях служить самостоятель­ным удобрением полей, способным активно выщелачивать из поч­вы и переводить в растворимое состояние химические элементы, служащие питанием для растений. Чтобы еще более насытить раствор соединениями азота, можно сквозь воду непрерывно про­дувать воздух под очень небольшим давлением.

Потребности в воде для электрогидравлической обработки по­лей весьма незначительны — около 10—15 м3 на 1 га, что состав­ляет всего 5—10 % от нормы затрат воды на дождевание и 2—3 % от нормы вегетационных поливов по бороздам или напуском, а при гнездовой культуре растений расход воды может быть сведен до минимума. Энергетические затраты силовой установки тракто­ра, питающей электрогидравлическую установку, не превышают 30 кВт на 1 га, что определяет и себестоимость внесения удобрений (примерно 10 коп. на 1 га).

Таким образом, электрогидравлическая обработка почвы спо­собствует экономически выгодному переводу в раствор содержа­щихся в почве полей и в воздухе азота, фосфора, микроэлементов, которые в растворимом состоянии легко усваиваются растениями. Тем самым можно резко снизить потребность полей в удобрениях, а зачастую и вовсе обойтись без них [60].

Проведенные эксперименты и производственные испытания по­зволили разработать ряд электрогидравлических почвообрабаты­вающих устройств для различных систем земледелия.

В простейшем почвообрабатывающем электрогидравлическом устройстве (рис. 7.1) в качестве основного агрегата, в котором происходит обработка почвы, используют электрогидравлическую дробилку. Кроме почвы, электрогидравлической обработке в дро­билке подвергают воду, предназначенную для полива растений, воздух, выхлопные газы трактора или газообразный азот [61].

Для увеличения выхода азота из воздуха и выхлопных газов их перед пропусканием через электрогидравлическую дробилку по­дают в камеру воздушного разрядника [70]. Несвязавшийся азот повторно направляют из дробилки в камеру воздушного раз­рядника.

Устройство монтируется на тракторе. При движении трактора специальное приспособление подает почву на транспортер, по кото­рому она направляется в электрогидравлическую дробилку. Одно­временно туда же подается вода, используемая для полива. Через дробилку продувают воздух, выхлопные газы или газообразный азот. После электрогидравлической обработки удобренная почва в виде пульпы поступает в разбрасыватель-дозатор для равномер­ного распределения ее по полю.

Увеличить выход полезных соединений в электрогидрэвли - чески обрабатываемой почве можно также за счет добавления в нее перед обработкой простейших катализаторов, например хлорного железа и сорбентов типа местных почв, глин, песков, торфа [83]. Так, введение на 1 т почвы всего лишь 20 г хлорного железа повышает выход растворимых солей более чем в 10 раз; введение на 1 т почвы 2 л водной вытяжки торфа дает резкое увеличение выхода в раствор соединений, содержащих ряд цен­ных микроэлементов. Обыч­ная электрогидравлическая обработка почвы дала выход калия до 30 г на 1 т обраба­тываемой почвы, а добавле­ние в качестве катализатора торфяной воды в указанной выше пропорции увеличило его выход до 60 г на 1 т поч­вы. Выход титана увеличился с 1,0 до 20 г, цезия — с 0,7 до 6 г и т. д.

Оказалось, что для резкого увеличения содержания высвобож­даемого из почвы и воздуха азота после электрогидравлической обработки почву целесообразно засевать штаммами различных нитрифицирующих и аммонифицирующих бактерий [77], исполь­зуя возможности «бактериального взрыва».

В целях минимизации объема электрогидравлической обра­ботки почвы посев семенами или посадку клубнями, саженцами, рассадой или черенками целесообразно производить в предвари­тельно образованные в почве электрогидравлически обработан­ные линии или гнезда либо вместе с небольшим количеством предварительно электрогидравлически обработанной почвы — в необработанные линии или гнезда, образованные обычными средствами.

Для обработки почвы на больших земельных участках разра­ботаны принципиально - новые многоцелевые сельскохозяйствен­ные машины, производящие одновременно предпосевную обработ­ку почвы, удобрение почвы и посев различных сельскохозяйст­венных культур.

Наиболее ценным качеством почвообрабатывающих электро- гидравлических устройств является то, что они не только не оказывают угнетающего действия на глубокие слои почвы (что имеет, место при работе на полях мощных тяжеловесных тракто­ров), но одновременно улучшают структуру почвы, повышают ее плодородие. Различные почвообрабатывающие электрогидравли- ческие устройства разработаны с учетом типа почвы, влажности и климатических условий.

Электрогидравлический плуг для сухой почвы (рис. 7.2) со­стоит из плужного, поддерживаемого колесами корпуса, на раме
которого укреплены одни или несколько последова­тельно перемещающихся передних и задних ножей [90]. Задние ножи зазем­ляются. В передние ножи встроены изолированные электроды, проходящие че - рез отверстия труб, по которым в почву на раз­рядный рабочий промежу­ток подают воду или жидкий удобрительный со­став. Электроэнергия по кабелю, вмонтированному в передний нож (ножи), поступает от ГИТ, разме­щенного на тракторе и питающегося от его сило­вой установки путем от­

Бора мощности. Концы кабелей, вмонтированные в передние ножи, и острия задних ножей образуют рабочие искровые про­межутки. Плоским и узким ножам электрогидравлического плуга почва оказывает весьма небольшое сопротивление при перемеще­нии плуга в процессе обработки почвы, поэтому на перемещение плуга тратится очень небольшая часть энергии трактора.

Работает электрогидравлический плуг следующим образом. При повороте кронштейна поднимаются колеса, а ножи-электроды соответственно заглубляются в почву. По трубопроводу в рабочий промежуток непрерывно поступает вода, а по кабелю от ГИТ к электродам плуга подаются импульсы тока, частота следования которых и их параметры определяются рабочими характеристи­ками ГИТ. Направляющая пластина заднего ножа-электрода и возможность регулирования высоты подъема опорных колес обес­печивают осуществление электрогидравлических: ударов на задан­ной глубине и устойчивость движения плуга. В результате в за­полненной водой полости между передним и задним ножами плуга непрерывно возникают электрогидравлические удары, об­рабатывающие почву.

После обработки почвы электрогидравлическим, плугом вокруг зоны разряда нижний слой почвы уплотняется, образуя корыто­образный лоток для удобренного слоя, а верхний слой почвы с располагающейся в ней корневой системой растений разрых­ляется.

Электрсггидравлический плуг для распутицы (рис. 7.3) пред­назначен для обработки почвы в осенний и весенний периоды, когда поля залиты водой и представляют собой «кашу» из воды и почвы, а также для работы на полях при поливном земледелии 222
[90]. Он представляет собой горизонтальный разрядник, защи­щенный ножом и безотвальным лемехом 'от разрушения о грунт. Искровые разряды, возникающие на этом разряднике внутри насыщенного водой грунта на уровне корневой системы растений, интенсивно диспергируют этот слой, рыхлят вышерасположенные слои, не переворачивая их, и эффективно уплотняют слои почвы, расположенные ниже. При этом в окружающей разряд зоне погибают личинки различных сельскохозяйственных вредите­лей. Дождевые черви, располагающиеся в период распутицы ниже этих слоев, не погибают.

Этот плуг состоит из плужной рамы с закрепленным на ней сошником, несущим передний нож и кабель. Нижний выступающий конец кабеля отогнут назад и образует с задним ножом, также сидящим на плужной раме, рабочий искровой промежуток. Ножи плуга заглубляют в почву и переводят их в транспортное поло­жение поворотом коленчатой оси с сидящими на ней транспорт­ными колесами и лыжами, служащими предохранителями от из­лишнего заглубления плуга (при работе на затопленном водой поле). При необходимости передний конец сошника в соответ­ствии с технологией обработки почвы снабжается рыхлителем или другой насадкой.

На плуге можно разместить несколько электродов, поскольку сопротивление почвы перемещению электрогидравлического плуга будет во много раз меньше, чем при пахоте обычным плугом.

На раме электрогидравлического плуга также можно распо­ложить посадочные устройства. Более того, каждый такой электро: гидравлический плуг рационально снабдить набором специализи­рованных рабочих органов в зависимости от сельскохозяйствен­ной культуры, запланированной под посев на данном поле. Плуг можно использовать и на лесопосадках.

Применение описываемого электрогидравлического устройства позволит решить одну из актуальных проблем земледелия — включить в общий сельскохозяйственный цикл не используемые сезоны весенней и осенней распутицы, что особенно важно в усло­виях Нечерноземья.

Для обработки каштановых почв сухих степей, песчаных и субпесчаных почв, где залогом высокого урожая является создание влагозадерживающего горизонта в корнеобитаемом слое, может быть использовано устройство (рис. 7.4), представляющее собой своеобразное соединение в один агрегат электрогидравлических дробилки и вибратора [91]. Это позволяет использовать энергию каждого электрогидравлического удара не только для обработки почвы путем пропускания ее через электрогидравлическую дробил­ку, но и для сообщения движения поршню электрогидравлического вибратора, обеспечивающего уплотнение подпочвенного слоя. С этой целью дробилка конструктивно связана с поршнем, шток которого оканчивается плитой, движущейся под почвой. Чтобы исключить попадание почвы из дробилки на поверхности трения

Поршня, он выполнен заодно с сетчатым (калиброванным) дном дробилки и связан с ее корпусом эластичными муфтами.

Материал, загруженный в бункер, разрушается электрогидрав- лическими ударами при прохождении через дробилку. Под дей­ствием электрогидравлических ударов нерастворимые химические соединения почвы переходят в растворимые, почва становится более плодородной, удобренной. Одновременн(? электрогидравли - ческие удары толкают поршень элект. рогидравлического вибратора вниз и он через шток передает их усилия виброплите, которая интенсивно уплотняет почву, создавая корытообразный уплотнен­ный недренирующий подпочвенный слой. Корытообразный попе­речный профиль этого слоя образуется благодаря специально изогнутому поперечному профилю виброплиты. В этом «корыте» будет задерживаться вода, ранее просачивающаяся в нижние слои почвы.

Из выходного бункера дробилки раздробленный материал в виде густой пульпы проходит по трубопроводу, расположенному в теле штока поршня и виброплиты, выбрасывается назад по ходу движения устройства в разрез почвы за виброплитой и заполняет пустоты, возникающие после прохождения виброплиты, образуя поверх уплоненного корытообразного слоя почвы удобренный, из­мельченный и гигроскопичный слой. Верхние над ним слои почвы разрыхляются колебаниями виброплиты либо обычным способом (например, от рыхлителя, установленного перед вибратором). Для

Уменьшения сопротивле - ния почвы трубчатый шток поршня вибратора снаб­жен ножом-обтекателем, разрезающим почву при движении устройства.

На несущей раме уст­ройства может быть раз­мещено несколько систем, включающих электрогид - равлическую дробилку, вибратор и виброплиты, благодаря чему устройст­во становится широкозах­ватным. Питание обеспе­чивается от силовой уста­новки, размещенной на тракторе. При этом каж­дая электрогидравлическая дробилка питается от са­мостоятельного контура.

Использование этого электрогидравлического устройства рационально совмещать с посевом, по­садкой или даже уборкой различных культур (совмещая в по­следнем случае уборку с посадкой культуры следующего сезона). Применять устройства можно для всех видов культур, особенно в засушливых зонах страны, а также для лесопосадок.

Создание под пахотным горизонтом влагозадерживающего слоя может быть также обеспечено электрогидравлической обра­боткой [95]. Для этого при отвальной или безотвальной вспашке, которую производят на глубину, большую общепринятой в тех или иных почвенно-климатических условиях, на уровне среза почвы создают тонкие ленточные слои, смыкающиеся в сплошной слой, из почвы или почвенно-торфяной смеси, предварительно прошед­шей электрогидравлическую обработку.

Поскольку электрогидравлически обработанная почва или торф, измельчаясь, приобретают чрезвычайно высокую гигроско пичность, то созданный из них слой накапливает в себе большое количество влаги. Кроме того, этот слой является дополнитель­ным источником минерального питания для растений. Важно еще и то, что органические волокна при электрогидравлической обра­ботке расщепляются преимущественно по длине и поэтому яв­ляются отличной органической арматурой, предотвращающей раз­мывание и вынос почвы.

Устройство, реализующее описанный выше способ создания подпочвенного влагозадерживающего горизонта (рис. 7.5), со­

Стоит из агрегата, обеспечивающего электрогидравлическую обра­ботку почвы, торфа или их смеси (например, электрогидравли - ческой дробилки), соединенного трубопроводами с соплами, кото­рые устанавливают позади каждого рабочего органа отвального или безотвального плуга (ширина выхода из сопел не должна быть больше захвата плуга).

При движении плуга по полю происходят подрезание пласта, подъем и рыхление его ножом безотвального плуга или поворот лемехом отвального плуга и введение ленточного слоя электро­гидравлически обработанной почвы или почво-торфяной смеси из подающих сопел в образующуюся за ножом плуга прорезь. При размещении лемехов или ножей на раме плуга таким образом, чтобы следы их соприкасались, образуются ленточные слои, кото­рые также соприкасаются и создают' в совокупности сплошной подпочвенный влагозадерживающий горизонт. Электрогидравли­чески обработанную смесь наиболее целесообразно получать непосредственно во время движения устройства по полю с по­мощью небольшого элеватора, забирающего верхний слой почвы в электрогидравлическую дробилку, куда подаются при необходи­мости торф и другие добавки.