ВВЕДЕНИЕ
В развитии птицеводства важную роль играет получение высококачественной продукции с использованием прогрессивных технологий, высокопроизводительных средств и рациональных технологических решений.
Птицеводству нужны специализированные ресурсоэнергоматериало-сберегающие технические средства малой механизации небольших массогабари-тов, энергоемкостей, с помощью которых можно выполнять различные технологические процессы и операции.
Наиболее эффективными, рациональными и перспективными методами совершенствования технологических процессов в птицеводстве при сохранении ветеринарно-санитарного благополучия являются способы, основанные на применении энергии электромагнитных излучений. Целенаправленное комплексное воздействие физических факторов на биологический объект, синхронизированное с биологически активной частотой, с учетом особенностей структуры объекта позволяет эффективно решить ряд задач. Широкие возможности применения энергии электромагнитных колебаний в сельскохозяйственных технологических процессах обусловлены рядом причин, а именно: высоким качеством воздействия, гибкостью и высокой точностью управления процессом, а самое главное — электромагнитное поле обладает специфическими и лечебными свойствами [7, 14,20, 30,96, 128,132, 133, 135,208,214 и др.].
Перед нами поставлена проблема повышения производства и качества переработки продукции птицеводства воздействием электромагнитного излучения (ЭМИ).
Научная концепция решения данной проблемы - получение высококачественной продукции птицеводства при минимальных энерго-, трудозатратах за счет применения методов и технических средств с источниками ЭМИ имеющих рациональные параметры, заложенные на стадии проектирования путем использования метода многокритериальной оптимизации.
Наиболее полное решение поставленной проблемы обеспечивается многоцелевыми техническими средствами с радиоволновыми источниками от которых
подключены электрогазоразрядные лампы УФ излучения высокого или низкого давления. В связи с этим определены дальнейшие научные задачи в области создания средств электромеханизации различных технологических процессов в птицеводстве.
В настоящее время имеется много данных о положительном влиянии ряда физических факторов на различные биообъекты, к числу основных из них относятся следующие: электромагнитные излучения оптического и радиоволнового диапазонов, озон и аэроионизированный воздух.
Однако, из-за несовершенства технологии и технических средств, отсутствия научно обоснованных оптимальных методов воздействия электромагнитного излучения (ЭМИ) на биообъект, широкого распространения они в птицеводстве не нашли.
Исследования выполнены в соответствии с планами НИОКР Чувашской ГСХА (1997...2004 г.г.) и целевыми программами по заказу департамента кадровой политики и образования (ПНИЛ-3) Министерства сельского хозяйства Российской Федерации «Интенсификация электромагнитным полем технологических процессов в животноводстве», № per.: 02980000107, 1997; 01990001509,1998; 01200001224, 1999; 02200200856, 2000, а также Министерства сельского хозяйства Чувашской Республики «Интенсификация электромагнитным полем технологических процессов в животноводстве и птицеводстве» (2000...2004 г.г.).
Научно-методической основой настоящего исследования послужили труды ведущих ученых по фундаментальным и прикладным вопросам электрификации сельского хозяйства и другим отраслям знаний Басова А.М., Белова В.И., Бойко АЛ., Бондаренко Г.М., Бородина И.Ф., Будзко И.А., Возмилова А.Г., Воробьева В.А., Гришина И.И., Живописцева E.H., Изакова Ф.Я., Казинского В.А., Кодинец ГЛ., Кудрявцева И.Я., Кожевниковой Н.Ф., Лебедева СП., Листова П.Н., Мартынен-ко И.И., Мусина Д.С., Назарова Г.И., Новиковой Г.В., Овчуковой С.А., Прищеп Л.Г., Сторчевого В.Ф., Стребкова Д.С., Тареева Б.М., Тарушкина В.И., Третьякова Н.П., Цой И.Г., Цугленок Н.В., Шмигель В.Н. и др. [6, 13, 14, 22...26,
36,37,46,51,58, 84...86, 89, 132...135,139,169,170, 173,174,182,199,200].
Целью настоящей работы является разработка научно обоснованного
принципа создания многоцелевых технических средств с источниками электромагнитных излучений, обеспечивающих повышение производства и качества переработки продукции птицеводства за счет комплексного воздействия физических факторов на биообъект.
Объектом исследования являются технические средства с технологическими приемами усиления биологического действия УФ излучения на фоне радиоволн и коронного разряда при минимальных энерго-, трудозатратах и отрицательных воздействиях на окружающую среду.
Предметом исследования является процесс взаимодействия электромагнитных излучений разных частот с биообъектом, обеспечивающий наибольшую эффективность производства и переработки продукции птицеводства.
Поставленные задачи решаются следующей методологией: основываясь на диэлектрический спектр компонентов биообъекта, на теории электронно-ионной технологии и оптического излучения, на закономерности воздействия электромагнитного поля, базируясь на системный подход к комплексу теоретических и экспериментальных результатов, полученных при помощи математических, физических, светотехнических, биометрических, статистических методов разрабатываются многоцелевые технические средства, состоящие из функционального модуля и радиоволнового генератора, предназначенные для технологических процессов птицеводства.
Разработка методологических основ расчетов и проектирования технических средств, базировалась на математическом моделировании процессов. Экспериментальные исследования, подтвержденные теоретическими результатами, выполнены с использованием теории многофакторного эксперимента, методов регрессионной статистики и биометрии с применением программы Statistica 4.5.
8
Научная новизна:
1) предложен и теоретически обоснован принцип усиления биологического действия УФ излучения за счет радиоволн и коронного разряда, инициированных электрогазоразрядной лампой, подключенной через резонатор к генератору;
2) получены математические соотношения, позволяющие обосновать частоту и напряжение источника питания электрогазоразрядной лампы УФ излучения, являющейся одновременно радиоволновым электродом, обеспечивающим коронный разряд;
3) разработаны конструктивные схемы и созданы технические средства комплексного воздействия физических факторов на основе теоретических и экспериментальных обоснований оптимальных режимов взаимодействия параметров источника электромагнитных излучений с биообъектом;
4) определены принципы рационального использования энергии ЭМИ в технологических процессах производства и переработки продукции птицеводства.
Техническая новизна. Создание многофункциональных радиоволновых УФ излучателей для технологического воздействия на биообъекты в птицеводстве.
Практическая значимость. Полученные научные знания позволили разработать:
- электромагнитные излучатели эритемного и бактерицидного потоков УФ излучения на фоне электромагнитного поля надтональной частоты и коронного разряда, превосходящие существующие по технологическим эффектам, позволяющие повысить хозяйственно-полезные показатели птицы;
- электрокоронирующие устройства для коррекции перинатального и по-стнатального развития птицы;
- техническое средство для прижизненной ощипки оперения гусей;
- устройства для обеззараживания, стерилизации, пастеризации яиц и яй-
9
цепродуктов комплексным воздействием электромагнитных излучений радиоволнового и оптического диапазонов.
Достоверность выводов диссертации обеспечена:
- теоретическими исследованиями, опирающимися на законы и методы математики, физики, механики и электротехники;
- современными методами исследований на действующем оборудовании с применением компьютерных технологий;
- лабораторными и хозяйственными испытаниями приемов и технических средств комплексного воздействия ЭМИ на биообъект в птицеводстве, проведенными в соответствии с действующими ГОСТами и разработанными методиками, подтвержденными документально.
Основные положения выносимые на защиту:
1. Способ усиления биологического действия УФ излучения на фоне радиоволн и коронного разряда для создания высокоэффективных методов и технических средств производства и переработки продукции птицеводства.
2. Теоретическое обоснование частоты и напряжения радиоволновых источников питания разрядного блока с учетом обоснованного предела прочности скорлупы яйца и релаксационных частот его составных частей. Аналитические зависимости, характеризующие распределение электрических полей в компонентах биообъекта при комплексном воздействии ЭМИ.
3. Выведенные математические выражения, позволяющие согласовать:
- режимно-конструктивные параметры механизированного радиоволнового УФ облучателя биообъекта, применяемого в технологическом процессе инкубации молодняка птицы и при переработке яиц, яйцепродуктов;
- время воздействия ЭМИ, частоту вращения и диаметр поворотной платформы с производительностью электрокоронирующего устройства для коррекции перинатального и постнатального развития молодняка птицы;
- частоту вращения и диаметр поворотной платформы, размеры арки и склиза с возрастом молодняка и производительностью электромеханизированного устройства для разделения молодняка птицы по полу;
- силу удерживаемости пера в коже с температурой экзо-, эндогенного нагрева при использовании устройства для прижизненной ощипки оперения птицы;
10
- удельную мощность, время воздействия, частоту вращения ротора и транспортирующего барабана с производительностью высокочастотного пастеризатора яиц;
- время наполнения и истечения меланжа из рабочей камеры с производительностью высокочастотного пастеризатора.
4. Математические модели частных энерготехнологических процессов
воздействия на биообъект, описывающие:
- выводимость и сохранность молодняка птицы в зависимости от энергетической нагрузки при комплексном воздействии физических факторов в перинатальный период развития;
- изменение количества пор, выводимости и сохранности молодняка птицы в зависимости от напряжения электрического поля, времени воздействия и разрядного промежутка;
- процент разделения молодняка птицы по полу в зависимости от их возраста, напряжения на электроде, высоты подвеса облучателя и скважности коронного разряда;
- динамику среднесуточного прироста живой массы птицы;
- изменение силы удерживаемости оперения в коже тушки от времени воздействия, напряженности электрического поля;
- изменение температуры яичной массы, температуры стабилизации и толщины тонкого наружного слоя примыкающего к подскорлупной пленке в зависимости от времени воздействия, анодного тока, напряженности и частоты электрического поля;
- скорость нагрева меланжа в зависимости от напряженности электрического поля и времени воздействия;
- изменение бактериальной обсемененности яичного порошка в зависимости от времени воздействия, удельной мощности бактерицидной лампы и высоты подвеса функционального модуля.
5. Результаты исследования влияния комплексного воздействия ЭМИ на
биообъект в технологических процессах производства и переработки продукции птицеводства, проведенные для многокритериальной оптимизации режим-но-конструктивных параметров разработанных и созданных образцов радиоволновых УФ излучателей.
Методики, алгоритмы и программа согласования на ЭВМ конструктивных элементов функционального модуля и режимов технологического процесса воздействия ЭМИ на биообъект.
Реализация результатов исследования. Разработанные методы и технические средства с источниками ЭМИ апробированы в технологических про-
11
цессах производства и переработки продукции птицеводства двух птицефабрик Чувашской республики, таких как: РГУП ПФ «Моргаушская», ГУП ПФ «Чебоксарская».
Материалы экспериментальных исследований и описание разработанных технических средств используются в учебном процессе ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА», ФГОУ ВПО «Московский ГАУ им. В.П. Горячкина», ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА», ФГОУ ВПО «Казанская ГСХА», ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА», ФГОУ ВПО «Челябинский агроинженерный университет». Применение результатов исследований в учебном процессе других вузов подтверждается соответствующим реестром по рассылке учебного пособия «Электрооборудование в птицеводстве» и монографии «Электромагнитные излучения в технологических процессах птицеводства».
Материалы исследований технологического процесса воздействия ЭМИ на биообъекты переданы в отдел механизации Министерства сельского хозяйства Чувашской Республики. Они составили научную базу для разработки технического задания и проектно-конструкторской документации, необходимой для изготовления радиоволновых УФ излучателей для технологических процессов производства и переработки продукции птицеводства.
Внедрение результатов исследований подтверждается соответствующими актами, приложенными к диссертации.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты исследования по теме диссертации доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава:
- ФГОУ ВПО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» (1998... 2004 г.г.);
- НИИ Северо-Востока (г. Киров, 1998 г.);
- ФГОУ ВПО «Челябинский агроинженерный университет» (2003,2004 г.г.);
- ФГОУ ВПО «Московский агроинженерный университет им. В.П. Горячкина» (2002 г.);
12
- ФГОУ ВПО «Казанская государственная сельскохозяйственная академия» (2000,2004 г.г.);
- ФГОУ ВПО «Казанская ветеринарная академия» (2000 г.);
- ФГОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева (институт механики и энергетики)» (2002 г.);
- ФГОУ ВПО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» (2003 г.);
- ФГОУ ВПО «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия» (2004 г.);
- ФГОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия» (2004 г.).
Публикации. Материалы диссертации отражены в [54 основных научных работах, в том числе учебном пособии «Электрооборудование в птицеводстве», объемом 25,7 п.л., монографии «Электромагнитные излучения в технологических процессах птицеводства», объемом 8,5 п.л., в двух поданных заявках на изобретение № 2004128827 «Устройство для удаления оперения с живой птицы», № 2004128828 «Устройство для разделения молодняка птицы по полу». За создание комплексной работы, включающей учебное пособие «Электрооборудование в птицеводстве» автору присуждена Государственная премия Чувашской Республики 2003 года в области естественных и технических наук. Диплом лауреата Государственной премии выдан на основании Указа Президента Чувашской Республики Н.В. Федорова от 17 июня 2004 года № 64.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав и общих выводов, списка используемых источников и приложения. Основная часть содержит 396 страниц машинописного текста. В списке литературы указано 222 источников, в том числе 8 на иностранном языке. Приложение содержит материалы по внедрению, разработанные программы, полное обоснование параметров облучателей предназначенных для технологических процессов инкубации, матрицы и расчетные коэффициенты для построения поверхности отклика.
13
1. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА И ПЕРЕРАБОТКИ ПРОДУКЦИИ ПТИЦЕВОДСТВА
1.1. Воздействие физических факторов в процессе инкубации яиц, роста и развития птицы
В работах Асрияна М., Ахмедова В.Х., Белова А.Д., Бецкова О.В., Бородина И.Ф., Буртова Ю.З., Возмилова А.Г., Воробьева М.Г., Голдина Ю.С., Иза-кова Ф.Я., Кавтаршвилли А, Кодинец Г.А., Кривопишина И.П., Медведева И.Д., Мелюкова А.Н., Передерни В.Г., Прокопенко A.A., Присяжного Г., Растимеши-на С.А., Рощина П.М., Сторчевого В.Ф., Торосяна Р.Н., Устинова Д.А., Чижевского П.Л., Чурмасова A.B., Шеметило И.Г., Ясногородского В.Г. имеются предположения о том, что важнейшими составляющими рационального микроклимата, влияющими на физиологическое состояние и продуктивность птиц, являются:
- температурно-влажностный режим помещения;
- концентрация газов, пылевых частиц, микроорганизмов и отрицательных ионов;
- эритемный и бактерицидный потоки ультрафиолетовых лучей и т.д. [3, 11, 14, 20, 22...27, 36, 37, 58, 84, 85, 96, 97, 147, 151, 154, 155, 157, 169, 170, 181, 185, 191,193, 195,214 и др.].
Известно, что при неудовлетворительном микроклимате снижается экономическая эффективность ведения отрасли. Например, прирост молодняка птицы уменьшается на 20...30 %, отход молодняка и расход кормов увеличиваются на 5...40 %, быстро развиваются болезнетворные микробы [3, 11, 12, 25, 27, 58, 84, 97].
При совместном содержании взрослой птицы и молодняка им необходим по зоогигиеническим условиям разный микроклимат. Поэтому в этих случаях прибегают к устройству системы локального электрообогрева и облучения [147, 151, 154, 155, 157]. Нормативные параметры воздуха должны быть обеспечены в зоне размещения птицы, то есть в пространстве высотой до 0,9 м над
14
уровнем пола, на котором может находиться молодняк птицы.
Для улучшения параметров микроклимата биообъекту можно использовать энергию электромагнитных излучений. Проанализируем некоторые результаты биологических и технологических эффектов от использования энергии электромагнитного поля (ЭМП) в технологии локального микроклимата в помещениях, полученные разными авторами и опубликованные в журналах и сборниках.
Существует множество технических средств, обеспечивающих эффективность воздействия физических факторов на организм птицы. В результате их применения исчезают болевые синдромы, нормализуются секреторная и моторная функции органов пищеварения, уменьшается активность воспалительных процессов, улучшается трофика органов и тканей. В целом физические факторы оказывают мощное саногенетическое действие, способствуют мобилизации защитных сил организма, вызывают раздражение рецепторов кожи и глубоколежащих тканей [96, 141].
В ответ на это раздражение возникают сложные реакции рефлекторного типа. Из зоны воздействия реакции распространяются на центральную нервную систему и оказывают влияние на весь организм [169, 181, 185, 191, 195 и др.].
Ниже проанализированы особенности воздействия основных физических факторов, имеющих место при обеспечении локального микроклимата биообъектам в процессе инкубации, роста и развития птицы, таких как: ионизированный воздух (аэроионизация, франклинизация, аэроионотерапия, озонирование); ультрафиолетовое и инфракрасное излучение; электромагнитное поле надто-нальной частоты (дарсонвализация, ультратоновоздействие).
Обзор существующих технологий и технических средств, обеспечивающих комбинированное воздействие физических факторов на молодняк птицы, показывает, что широко применяют оборудование для комбинированного инфракрасного обогрева и ультрафиолетового облучения ИКУФ-1М, ИКУФ-3 и «Луч». Используют также оборудование для ионизации воздуха с целью под-
15
держания нормальной концентрации отрицательных ионов в помещении [96, 184].
В последние годы установлено, что такие факторы, как УФ и видимые лучи, лазерное облучение, аэроионизация, магнитное поле, у лучи, и их сочетание могут стимулировать обменные процессы в биообъекте, например, повысить инкубационные качества яиц, вывод и жизнеспособность молодняка птицы.
Имеющиеся другие технические средства либо не приспособлены для птицеводческих помещений, либо инициируют не более двух физических факторов. Поэтому, необходимо разрабатывать принципиально новую структуру системы локального микроклимата, предусматривающую совокупное воздействие таких физических факторов, как УФ и ИК излучение, электромагнитное поле надтональной частоты (ЭМП НТЧ) и коронный разряд в целях противора-хитного, бактерицидного действий, поддерживания температурного режима и нормальной концентрации отрицательных ионов, профилактики заболеваний молодняка птицы.
Технология инкубации яиц предусматривает использование озона, вырабатываемого физическими факторами, для дезинфекции и ветеринарной профилактики биообъекта в инкубационном и выводном шкафах.
Дезинфекция яиц озоном. На скорлупе яиц всегда присутствует большое количество микробов, большинство из них безвредно, но могут быть и болезнетворные, патогенные, вызывающие заболевания яиц, зародышей и выведенного молодняка. Обязательной мерой борьбы с птичьими инфекциями является дезинфекция поступающих на инкубацию яиц.
По своей природе дезинфицирующие средства делятся на физические, химические и биологические. К физическим средствам дезинфекции относятся высокая температура, и лучи коротковолновой части спектра, обладающие способностью убивать все живое.
Применение экологически чистых методов, в частности озонирования и
16
бактерицидного потока УФ излучения, позволяет решить проблему дезинфекции инкубационных яиц. Многочисленными исследованиями установлено, что озонирование яиц до и во время инкубации позволяет поддерживать на требуемом уровне санитарное состояние инкубатория, а также увеличить вывод цыплят, их рост и развитие в дальнейшем.
В настоящее время широко стали применять дезинфекцию яиц озоном, который обладает сильным окислительным и обеззараживающим действием.
Н. Тарновский изучал влияние на инкубируемые яйца озонирования воздуха. При этом озонирование воздуха с концентрацией 200 мг/м3 приводило к положительным результатам [27].
И.П. Кривопишин установил, что прединкубационное озонирование куриных яиц оказывает положительное влияние на некоторые морфологические и физиологические процессы, протекающие в эмбриогенезе [27].
Дезинфекцию проводят в специальной камере. Отсортированные и свободно уложенные в лотки яйца помещают в камеру на стеллажах или в инкубационных тележках.
Концентрацию озона в камере поддерживают на уровне 300...500 мг/м3 в течение 60 мин при температуре воздуха 8...30 °С и относительной влажности 50...70 %. По истечении срока дезинфекции озон из камеры удаляют вытяжной вентиляцией в течение 5... 10 мин.
Озон получают путем электросинтеза из кислорода воздуха или чистого кислорода с помощью озонаторов различных типов (ГО-240, РГО-1, ЛГО-15, Озон-1м, Озон-2м). Обслуживание их осуществляется дистанционно. Озонаторы других типов размещают вне камеры и озон подается в нее по шлангу.
Аэроионизация в инкубаторе. Аэроионизация является важным, до сих пор недоучитываемым фактором режима инкубации. В природных условиях в гнезда птиц поступает воздух с большим содержанием ионов, чем воздух в инкубаторах. Кроме того, при естественной инкубации воздух вокруг яиц, возможно, ионизируется самой наседкой. При трении о ее перья возникают заряды
17
статического электричества.
Под действием лучистой энергии и электрических разрядов в воздухе ионизируются молекулы кислорода, превращаясь в атомарный кислород и озон. В малых дозах он благоприятно действует на эмбрионы, усиливает газообмен яйца. Свежий воздух содержит более 2000 ионов в 1 см3. В воздухе помещений их концентрация значительно ниже, а внутри инкубаторов падает до 600 ион/см3 [14].
А.Л. Чижевский проводил ионизацию воздуха за счет коронных электрических разрядов и доказал положительное влияние аэроионов на процесс инкубации. Рекомендуют ионизировать воздух в инкубационных шкафах круглосуточно на протяжении инкубационного периода. При этом концентрацию аэроионов необходимо поддерживать на уровне (10... 15) • 103 ион/см3 [193].
Аэроионизация улучшает перинатальное развитие и повышает вывод цыплят на (2...6) % [13, 14].
В настоящее время разработаны различные типы аэроионизаторов, в том числе и электрические [34, 35]. Они нашли широкое применение в ветеринарии, зоотехнии, в том числе инкубации яиц. Например, для улучшения режима инкубации в современных инкубаториях установлены электрические коронные аэроионизаторы ИЭ-1.
Улучшение микроклимата внутри инкубационных шкафов достигается путем ионизации воздуха электрическим коронным разрядом отрицательной полярности. ИЭ-1 имеет отрицательные электроды в виде острой иглы, находящейся под напряжением постоянного тока 5 кВ. Электроды размещают над лотками. Принцип работы аэроионизатора заключается в том, что отрицательный электрический потенциал, поданный на иглу, приводит к интенсивному короткому разряду вокруг острия. Под действием высокого напряжения с острых концов электродов срываются отрицательные электроны, ионизирующие молекулы воздуха [157].
Искусственная ионизация воздуха электрическим разрядом постоянного |
