بررسی نفوذ گرمای ناشی از سوزاندن بقایای گیاهی وعملیات شعله افکنی در خاکهای زراعی، با استفاده از روش جسم نیمه بینهایت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری

2 استادیار گروه مکانیک ماشینهای کشاورزی دانشگاه تربیت مدرس.

چکیده

پژوهشگرانی که روی فیزیک حرارت در خاکهای زراعی تحقیق کرده اند، اثر رژیمهای حرارتی بلند مدت شبانه روزی و یا فصلی را مورد مطالعه قرار داده و مدلهای مناسبی ارائه نموده‌اند. اما این مدلها برای ارزیابی انتقال حرارت زودگذر، مانند خسارات ناشی از شعله افکنی و سوزاندن بقایای گیاهی، قابل استفاده نیست. به همین دلیل در مقاله حاضر فرایند زود گذر انتشار گرمای ناشی از عملیات شعله افکنی و سوزاندن بقایای گیاهی در خاکهای زراعی مورد تحلیل قرار می‌گیرد. در این راستا، از معادله موسوم به جسم نیمه بینهایت[1] استفاده شده است. به این صورت که خاک زراعی به عنوان یک جسم نیمه بی نهایت در نظر گرفته شده که از طرف سطح زمین محدود، و از سایر جهتها، تا بینهایت گسترده شده است. سپس با اِعمال فرضها ی ساده کننده، که مبتنی بر فیزیک مسئله و تحقیقات سایر پژوهشگران است، نفوذ گرمای ناشی از سوزاندن بقایای گیاهی و شعله افکنی را در لایه های سطحی خاک، مورد تحلیل ریاضی قرار گرفته. آنگاه معادلات نسبتاً پیچیدهُ حاصل، به منظور استفاده در شرایط عملی، بر مبنای بافت و رطوبت خاک بصورت یک مدل آماری، شبیه سازی شده است. در نهایت، نتایج حاصل از معادلات و مدلهای پیشنهادی، با نتایج آزمایشاتِ تجربی سایر محققین مقایسه شده و بصورت نظری، اعتبارسنجی[2] گشته‌اند. مدل ارایه شده که به اسم SDS نامگذاری شده، نشان می‌دهد که دو عامل زمان تداوم شعله و شرایط خاک (شامل رطوبت و بافت آن)، در آهنگ نفوذ گرما به خاک، دارای نقش اصلی بوده و شدت گرمای شعله سطحی، در اولویت بعدی قرار دارد. از نظر شرایط خاک نیز، حداقل آهنگ نفوذ، در خاک خشک و کم شن رخ داده و حداکثر آن نیز، مجدداً در خاک خشک، اما کاملاً شنی اتفاق می‌افتد. بنابراین بااستفاده از مدل ارائه شده در این مقاله، در هنگام سوزاندن بقای گیاهی می‌توان رطوبت مناسب خاک را با توجه به بافت موجود به نحوی توصیه نمود که نفوذ عمقی گرما در خاک، به حداقل برسد. نتایج دیگر حاصل از عدد گذاری در مدل نشان می‌دهد که در شرایط مرسوم، اثر عملیات شعله افکنی از عمق 5/0 سانتیمتری خاک، پائین‌تر نمی‌رود، در حالی که در هنگام سوزاندن بقایای گیاهی، با وجود کمتر بودن دمای شعله، دامنه تأثیر گرمای سطحی، تا عمق 5/2 سانتیمتری ادامه دارد. حتی در بدترین شرایط، حد اکثر عمق نفوذ گرما ناشی از سوزاندن بقایا در خاک زراعی، کمتر از 5 سانتی متر بوده و مواد آلی خاک نیز حداکثر تا عمق 4 سانتی متری تحت تأثیر دمای بحرانی (که در این مقاله50 درجه سانتیگراد فرض شده) قرار می‌گیرند. در عملیات شعله افکنی، به علت زمان کوتاه ابقای گرمای سطحی، حداکثر عمق نفوذ گرما در خاک، به حدود 12 میلی متر محدود شده و میکرو ارگانیسم‌های پائین‌تر از عمق 7 میلی‌متری، از آسیب گرمای بحرانی در امان می‌مانند. نتایج این مطالعه، برای درک مکانیسم نفوذ گرما در خاک و اِ شراف برشرایط تسریع کننده آهنگ نفوذ، مناسب بوده و از منحنی‌های حاصل از مدل، می‌توان برای پیش‌بینی عواقب احتمالی عملیات سوزاندن بقایا و شعله افکنی استفاده کرد. همچنین می‌توان شرایط را در مزرعه به نحوی مدیریت نمود که در هنگام عملیات فوق، حداقل آسیب به میکروارگانیسمهای خاک وارد گردد.
 
2- Semi-infinite object
3- Verification

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Estimation of Field Soil Heat Diffusion due to Crop Residual Burning and Flaming by Semi-Infinite Solid Method

نویسندگان [English]

  • A. Eyvani 1
  • M.H. Khoshtaghaza 2
1 Graduate Student
2 Assistant Professor of Agricultural Machinaery Engineering Dept., Tarbiat Modaress University, Thehran, Iran.
چکیده [English]

Effect of long period and seasonal heat regimes on field soils were studied by the researchers who work on thermal soil physic. Although, they were presented some suitable models, they are not applicable for short-time heat transfer evaluation in the shallow field soils. In this paper transient heat transfer during residual burning and flaming on field soils were analyzed by using the semi-infinite solid method. Field soil was assumed as a semi-infinite object by considering the ground surface as a boundary condition and depth of soil as an infinite direction. Thermal diffusion in soil layers due to residual burning and flaming was analyzed mathematically by simplification based on the physical condition and the results of other researchers. The complex derived mathematical equations were simplified by statistical models. These models were function of soil moisture content and texture. Finally the resulted models were verified theoretically by empirical experiments of other studies. The presented model that was called SDE (Soil Diffusivity Estimator) showed that flame remaining time period and soil conditions (moisture content and texture) are more important than surface flaming heat intensity. Minimum heat transfer occurred at dry and low sandy soil, and maximum heat transfer was at dry but high sandy soil. Therefore, the resulted model of this study can be used to find the best soil moisture content, depends of soil texture, during residual burning for minimum heat diffusivity in the soil. Another result showed that in conventional condition, the effect of heat flaming was not diffused lower than 0.5 cm depth of the soil. But during residual burning, although the fire temperature was low, the effect of surface temperature was up to 2.5 cm soil depth. At the worse condition, during residual burning, the maximum depth thermal diffusivity was lower than 5 cm, which soil micro organisms were affected by critical temperature (50°C was assumed in this study) at maximum depth of 4 cm. In flaming operations, because of short period heating time, depth of heat diffusivity was limited to 12 mm and this condition was not harmful for micro organism at lower than 7 mm. The results of this study can be used for understanding the mechanism of short-time heat transfer in shallow field soil and increase our knowledge about the condition of thermal rate diffusivity. Also the derived graphs from the model can be used to estimate the harmful condition in residual burning and flaming. Also, the field conditions can be managed for minimum damage of soil micro organism during those thermal treatments.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Soil heat transfer
  • crop residual burning
  • flaming
  • organic matters
  • semi-infinite solid

مراجع

  1. ابراهیمی، م-1364 – کتاب جامع جداول و منحنی های ترمودینامیک، چاپ اول، انتشارات میقات.
  2. ایوانی، 1- 1381- مشاهده و اندازه گیریهای تجربی سوزاندن بقایای جو برای کشت ذرت علوفه‌ای در مزارع شهرستان اسلامشهر، از توابع تهران.
  3. شیمی، پ. -1374- اثرات سوزاندن کلش در مزارع گندم. مجله زیتون، شماره 125
  4. شیمی، پ.- 1380 مبارزه تلفیقی فیزیکوشیمیایی با علفهای هزر کلزا با تأکید روی کنترل خردل وحشی، گزارش سالیانه طرح تحقیقاتی – موسسه تحقیقات آفات و بیماریهای گیاهی.
  5. Agren, G. and T. Persson, 2002.Temperature effect on decomposition of Litter and soil organic matter. Soil Biology and Biochemistry 34:129-132
  6. Akbaba, G., 1994. Canly organizma yapam hyzyna nayl ayak uyduruyor, Bilim ve Tenik. No: 314, 42-47.
  7. Anderson, R.L., Hausen, C.M., Thomas, E., and J. Hull. 1967. Flame for weed control- A progress report- proc. 4th Symp. on thermal agriculture, Kansas city, Missouri. Natural gas processor association on national Lp- Gas Association, pp. 22-25
  8. Ascard, J. 1990. Weed control in ecological vegetable farming . Proc. Ecological Agriculture, Sweden.
  9. Ascard, 1997. Flame weeding: effects of fuel pressure and tandem burners,Weed Research, 37,77-86
  10. V.O. ,C. A. Campbell, K. E. Bowren, M. Schnitzer and R. N. Mclver, 1980. Effect of burning cereal straw on soil properties and grain yields in saskachwan. Soil Sci. Soc. Am .J. , 44:103-111
  11. Bisal, F. and K. F. Nielsen, 1964. Soil agrigates do not necessarily break down over winter. Soil sci. 98: 345-346
  12. Chacko, T. and G. Renuka, 2002. Temperature mapping , thermal diffusivity and subsoil heat flux at kariavattom of korala, Proc. Indian Acad. Sci. (Earth planet. Sci.) V:111 No:1. pp. 79-85.
  13. Chang, J. 1968. climate and agriculture,,Aldreric Publishers, Chicago.
  14. Cook, R. D., 2002 Thermal conductivity of clay, An E-mail question from Argonne national laboratory, Atmospheric section, USA.
  15. Hendrickx, J.M.H., R.L.Van dam, B. Borchers, J. Curtis, H.N. Lensen, and R. Harmon, 2003. Worldwide distribution of soil dielectric and thermal properties., Detection and Remediation technologies for mines and mielike targets VIII, Proceedings of the SPIE, Vol: 5089.
  16. Hoffman, 1989. Abflammtechnik. KTBL. Schrift 331. Landwirt-schaftsvelag, Munster- Hiltrup.
  17. Holmoy, R. k., j. Storeheier, P. Solberg and A. Berge, 1998. Studies into fundamental of flaming, 3rd EWRS workshop on physical weed control, Wye College, UK, pp. 25.
  18. Incropera, F.P. and D.P. Dewitt, 1996. Introduction to heat transfer, 3rd, John Wiley and sons, USA.
  19. Klooster, J.J., 1983. Thermisch onkruidbestrijding, een interessant alternalief Landbouwmechanisaitie 34 (8), 787-789.
  20. Luoa Y., R.S. Loomisa and T.C. Hsiaob, 1992. Simulation of soil temperature in crops, Agricultural and Forest Meteorology, No:61,pp. 23-38
  21. Molberg, E.S., 1973. Effect of burning wheat stubble on the viability of wild oat Canada weeds committee, western section, Res. Rep pp.352.
  22. Oke, T. R., 1978. Boundary layer climate, John Wiley and sons, New York.
  23. Okur, N., Y. Tuzel and Çengel, 1997. Effects of Solarization on the Microbial population and activity in the greenhouse, Cahiers options Méditérrannées vol. 31,pp.407-411
  24. Parish, S., 1990. The flame treatmentof weed seedlings under controled conditions. Monograph British crop protection council, No: 45, pp. 193-196.
  25. Rai, G.D., 1994. Non-conventional sources of energy, 3rd, Khanna, publisher, India.
  26. A.K., C.E. Goering, and R.P. Robrbach, 1995. Engineering principles of Agriculture Machines, 3rd ed., text book No: 6, USDA.
  27. Ridley, A.O., 1977. Benefits of incorporating Crop residue. A paper presented at Agriculture days conf. univ. of Manitoba. Winnipeg.
  28. Vriesema, B., 1985. Evaluatie van en onderzoek naar mogelijke verbeteringen… (Evaluation of an investigation in to possible improvement of investigation in to possible improvement of thermal weed control technique), Afstudeerschriptie, IMAG, Wageningen. Arnhem, Netherlands.

 

پژوهش های خاک
دوره 20، شماره 2
اسفند 1385
صفحه 271-281

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار