вегетационная система для создания микроклимата

Формула изобретения

1. Вегетационная система для создания микроклимата, содержащая ветрозащитное ограждение по периметру земельного участка, клапаны, питающую трубу, выходящую из накопителя воды и входящую в насос с напорной трубой, соединенной с распределительными трубами, снабженными форсунками увлажнения, автоматизированную систему управления (АСУ), содержащую управляющий контроллер и датчики увлажнения и температуры, отличающаяся тем, что в нее введены гидроаккумулятор, проточный нагреватель, колонна, имеющая подвижную часть для размещения, как минимум двух, распределительных труб, выполненную с возможностью вращения относительно своей вертикальной оси от установленной в ней турбинной части раздельного гидродинамического привода, снабженного сливной трубой, которая соединена с питающей трубой, имеющей первый клапан перед входом в насос, при этом гидроаккумулятор и проточный нагреватель последовательно врезаны в напорную трубу, имеющую на выходе нагревателя разветвление, причем одна ее ветвь соединена через отводной патрубок с верхней частью гидроаккумулятора, а другая ветвь через второй клапан соединена с турбинной частью и входом патрубка, снабженного третьим клапаном, выход из которого соединен с входами распределительных труб, выполненных в виде консолей, форсунки увлажнения которых расположены по всей их длине, в АСУ введен датчик перемещения распределительных труб, клапаны снабжены электромагнитным приводом.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что консоли размещены с диаметрально противоположных сторон подвижной части колонны и закреплены на вантах.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что шаги между соответствующими по порядку форсунками перекрывают друг друга, а длина соседних шагов уменьшается по мере удаления от центра вращения.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что форсунки размещены на вертикальных патрубках-отстойниках, врезанных в консоли.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что патрубки-отстойники имеют высоту не менее 200 мм, а установленные на ближайшем к центру вращения и наиболее удаленном от него патрубках форсунки достигают высоты не менее 1500 мм от уровня земли.

6. Система по п.4, отличающаяся тем, что форсунки имеют встречно-струйную конструкцию.

7. Система по п.1, отличающаяся тем, что напорная труба на участке между выходом второго клапана и ее разветвлением снабжена омагничивателем.

8. Система по п.1, отличающаяся тем, что ветрозащитное ограждение выполнено прозрачным.

9. Система по п.1, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введена неметаллическая сетка, которой сверху накрыто ветрозащитное ограждение.

10. Система по п.1, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введен высоковольтный источник статического электричества, электроды которого расположены в зонах распыления воды каждой форсунки, при этом все форсунки имеют встречно-струйную конструкцию секторного типа.

11. Система по п.1, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены включенный параллельно насосу резервный насос, четвертый и пятый клапаны, установленные соответственно на выходе каждого насоса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к комплексам создания микроклимата для ускоренного и экспериментального получения высокой урожайности сельскохозяйственных культур в открытом грунте (без укрытий от солнца), а также для вегетативного размножения ценных для людей растений. Систему можно использовать и при выращивании культур грибов или виноградных улиток, т.к. она улучшает условия окружающей среды.

Улучшенные условия мы встречаем в природе у водопадов и сбросов плотин. Внизу, даже по крутым берегам, растет и плодоносит буйная растительность в значительной степени лучше тех растений, что растут по берегам этих же рек. Мы знаем о сказочных условиях круглый год в кальдере вулкана Узон (горячие гейзеры Камчатки). Улучшенные условия для растений часто получают на земельном участке на солнечной стороне у высокого, глухого забора.

В условиях фитотрона на площади 6 м² (см. Труды ИФР АН СССР. Отчеты работ профессора, доктора биологических наук Петинова Н.С., 1965-1975 гг.) добивались ускоренной вегетации с получением необыкновенно высоких и качественных урожаев пшеницы при полном использовании энергии специальных ламп, имитирующих спектр лучей и энергию солнца. При этом в ИФР АН СССР и другими учеными, работавшими с различными культурами, многократно проверено, что быстро, плодовито развивающееся растение должен окружать увлажненный (в среднем до 80% относительной влажности), теплый, но не перегретый, переувлажненный и застойный воздух теплиц и парников. Почва должна быть аэрированной (открыты структурные поры).

Многолетней практикой в открытом грунте (с 1960 г.) в ГБС АН СССР проверено: улучшенные естественные условия можно достичь только в открытом грунте, защищенном от ветра, при дозированном распылении до состояния тумана подготовленной воды. Подготовленной считают воду, хранящуюся в накопителе (цистерне), подогретую на солнце, с добавлением микро- и макроэлементов.

Известны устройства полива («Фрегат» и «Волжанка»), имеющие консоли с насадками для выхода поливной воды. В конструкциях поворот консолей обеспечен за счет реактивной силы струи воды, выходящей из крайних поливных насадок. Указанные устройства предназначены для быстрого орошения участка пастбища, как получается в природе при сильном дожде. Устройства перемещают на другой участок орошения через 20-30 минут полива. Более длительный срок полива пастбища навредит глубоким переувлажнением, (засолением) или размыванием почвы. Такими устройствами получить улучшения окружающих условий для растений невозможно, т.к. они предназначены только для разбрызгивания воды над площадью за кратчайший период.

Известно устройство вегетационного обводнения (патент Великобритании №1241325, класс А1Е, 1971 г.) для улучшения условий роста и развития растений (в теплицах или парниках) прерывистым распылением воды. Устройство имеет систему трубопроводов с распылителями воды, электромагнитные клапаны (прерыватели). Блок управления системы обеспечивает прерывистую подачу воды к распылителям, т.е. сокращает количество осадков по сигналам различных датчиков.

Улучшение условий для растений в теплицах и парниках обеспечивают дополнительной системой труб для подогрева почвы.

В теплицах и парниках труб, систем трубопроводов и распылителей много (как минимум по 1 м и по 1 шт.) на каждый квадратный метр полезной площади. Парниковое или тепличное хозяйство дорого обходится при строительстве, а при летней эксплуатации, кроме автоматизации орошения, необходима автоматизация проветривания, а также дезинфекция и притенение помещений.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению является система испарительного охлаждения и доувлажнения (С.И.О.Д.), предназначенная для мелкодисперсного распыления воды в теплицах для поддержания температурно-влажностного режима (систему предлагает ООО НПФ «Фито», электронный адрес Интернет сайта http://www.fito-agro.ru/siod.htm). Система содержит водонакопитель, соединенный питающей водопроводной трубой с насосом, выход которого подключен к напорной трубе, снабженной фильтром и соединенной с распределительной сетью с форсунками. Система включает в себя АСУ, содержащую управляющий контроллер, датчики влажности и температуры.

С.И.О.Д. имеет следующие недостатки:

- возможность использования только для кратковременного охлаждения и доувлажнения воздуха в теплице;

- незначительная эффективность отбора тепла и испарения в воздухе, обеспечиваемая мелкодисперсным водяным облаком (размер капель 0,15 мм);

- переувлажнение почвы при длительной или частой работе системы;

- невозможность подогрева среды за счет тепла увлажняющей воды в периоды похолодания;

- наличие большого количества труб в распределительной сети, ведущее к образованию большого количества конденсата, провоцирующего интенсивную капель;

- неэффективное использование солнечной энергии и его спектра из-за потерь и рассеивания при прохождении через стеклянные или пленочные укрытия;

- неэффективность методов выращивания растений в защищенном грунте в жаркий период и, как следствие, высокая себестоимость выращиваемой продукции;

- большой расход воды.

Задачей изобретения является создание и поддержание улучшенного микроклимата для ускоренной вегетации и здорового плодоношения сельскохозяйственных культур, дающих значительно больший урожай в открытом грунте на защищенной от ветра площади.

Техническими результатами изобретения (при снижении себестоимости выращиваемой продукции) являются:

- сокращение расхода воды в 15÷20 раз;

- уменьшение количества потребляемой электроэнергии в 3÷6 раз;

- создание и поддержание гибкого температурно-влажностного режима за счет использования большой теплоемкости воды, равной 4200 Дж/кг°С, т.е. при остывании 1 г на 1°С выделяется 4,2 Дж тепла (при остывании на 80°С выделяется 336 Дж тепла) и большой удельной теплоты парообразования воды, равной 2300000 Дж/кг°С, т.е. при испарении 1 г у окружающей среды отбирается 2300 Дж тепла.

Такой режим обеспечивает:

- улучшение круглосуточных условий для роста и развития растений весной, летом и осенью;

- возможность при длительном похолодании (заморозках) нагревать приземный воздух и почву до 16÷18°С и в ночные часы, сохраняя аэрацию почвы;

- эффективное использование солнечной энергии в открытом грунте весь световой день;

- возможность направленного стимулирования развития растений по способу, изложенному в А.С. №695633 от 01.02.1977;

- небывалые урожаи экологически чистых продуктов в естественных условиях открытого грунта.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в известную вегетационную систему для создания микроклимата, содержащую ветрозащитное ограждение по периметру земельного участка, клапаны, питающую трубу, выходящую из накопителя воды и входящую в насос с напорной трубой, соединенной с распределительными трубами, снабженными форсунками увлажнения, автоматизированную систему управления, содержащую управляющий контроллер и датчики увлажнения и температуры, дополнительно введены колонна, гидроаккумулятор и проточный нагреватель. Распределительные трубы выполнены в виде консолей. Колонна имеет подвижную часть для размещения консолей, выполненную с возможностью вращения относительно своей вертикальной оси от установленной в ней турбинной части раздельного гидродинамического привода, снабженного сливной трубой, которая соединена с питающей трубой, имеющей первый клапан перед входом в насос. При этом гидроаккумулятор и проточный нагреватель последовательно врезаны в напорную трубу, имеющую на выходе нагревателя разветвление. Одна ветвь соединена через отводной патрубок с верхней частью гидроаккумулятора. Другая ветвь через второй клапан соединена с турбинной частью гидропривода и с третьим клапаном, выход из которого через патрубок соединен с входами консолей, форсунки увлажнения которых расположены по всей их длине. В АСУ введен датчик перемещения распределительных труб. Для управления работы от АСУ все перечисленные клапаны имеют электромагнитный привод.

Для уравновешенной механической работы подвижной части, а также для более равномерного и одновременного распределения влаги по всей увлажняемой территории консоли размещают с диаметрально противоположных сторон подвижной части колонны и закрепляют их на вантах. При этом шаги между соответствующими по порядку форсунками перекрывают друг друга, а величина последующих шагов уменьшается по мере удаления от центра вращения.

Для того чтобы основная масса воды распылялась до состояния тумана, имела минимальную гравитацию и как бы плавала, перемешиваясь с воздухом у поверхности земли, используют форсунки встречно-струйной конструкции. В этой конструкции выходящие навстречу друг другу струи взаимно сдерживают скоростное истечение воды под давлением, поэтому их расход в 3÷5 раз меньше расхода исходящих струй из любой форсунки дефлекторного типа (струя бьет в отражатель-дефлектор).

Для ликвидации засорения сопел форсунок их размещают на вертикальных патрубках-отстойниках, врезанных в консоли. При этом патрубки-отстойники имеют высоту не менее 200 мм.

Для дополнительного увлажнения воздуха зоны, огражденной ветрозащитным барьером, установленные на ближайшем к центру вращения и наиболее удаленном от него патрубках форсунки расположены на высоте не менее 1500 мм от уровня земли.

Для подготовки воды и придания ей лучших (живых) свойств ее пропускают через омагничиватель, установленный на участке напорной трубы между выходом второго клапана и ее разветвлением.

Для более полного использования энергии и спектра солнца по всей площади зоны ветрозащитное ограждение выполняют прозрачным.

Для надежного удержания мельчайших частиц воды в зоне распыления, а также для защиты растений от птиц и града по верхнему краю ветрозащитного ограждения закрепляют неметаллическую сетку.

Для большего дробления распыляемой воды, вышедшей из форсунок, и удержания в зоне ограждения более мелкого водяного тумана используется высоковольтный источник статического электричества (не менее 10 кВ). Напряжение от высоковольтного источника той или другой полярности подводят с помощью водостойкого провода (МГТФ), заостренный конец которого, электрод, располагают в зоне распыления воды каждой форсунки. Пример такого расположения приведен в описании к А.С. №1369818 (электроороситель встречно-струйной конструкции с индуцирующим электродом). При этом частицы воды делятся, стремясь получить единичный заряд, а молекулы ее уравновешиваются и структурируются. Они притягиваются ко всем поверхностям растений, передают электрозаряд и, тем самым, активизируют клетки растений для определенной деятельности.

При использовании резервного насоса, включенного параллельно основному, необходимо ввести четвертый и пятый клапаны, соответственно установленные у выхода каждого насоса.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-5.

На фиг.1 показана общая схема вегетационной системы.

На фиг.2 и 3 представлены вид сверху и вид сбоку на систему.

На фиг.4 - сечение встречно-струйной форсунки по выходным отверстиям воды.

На фиг.5 - сечение секторной встречно-струйной форсунки по выходным отверстиям воды.

На фиг.1-3 представлена вегетационная система с ветрозащитным барьером 1 по периметру орошаемого земельного участка 2, накопителем 3 воды с выходящей из него питающей трубой 4, снабженной первым клапаном 5, установленным перед входом в насос 6. Выход насоса соединен с напорной трубой 7, в которую последовательно врезаны гидроаккумулятор 8 (объемом 1,5÷3 м³) и проточный нагреватель 9. С выхода нагревателя напорная труба разветвляется. Одна ветвь ее соединена с верхней частью гидроаккумулятора с помощью патрубка 10, а другая, снабженная вторым клапаном 11, имеет еще одно разветвление. Причем первая ветвь соединена с направляющим аппаратом 12, а вторая ветвь, снабженная третьим клапаном 13, соединена через патрубок 14 с входом трубных консолей 15 и 16. Направляющий аппарат 12 имеет определенное положение по отношению к турбине 17 раздельного гидродинамического привода подвижной части 18 колонны. Турбина 17 размещена в неподвижной части 19 этой колонны, установленной на землю с помощью ножек 20. Выход из турбины 17 соединен со сливной трубой 21, которая соединена с питающей трубой 4.

Трубные консоли 15, 16 с расположенными на них по всей их длине форсунками увлажнения 22 и 23 размещены на подвижной части 18 колонны. Форсунки 22 и 23 (2 шт.) размещены соответственно на вертикальных патрубках-отстойниках 24 и 25 (2 шт.), врезанных в трубные консоли. Один из патрубков-отстойников 25 является ближайшим к центру вращения подвижной части колонны (размещен на трубной консоли 16), а другой - наиболее удаленным от центра вращения (размещен на трубной консоли 15), при этом они обеспечивают высоту форсунок не менее 1500 мм от уровня земли. Другие патрубки-отстойники 24 имеют высоту не менее 200 мм. Трубные консоли 15 и 16 размещены с диаметрально противоположных сторон подвижной части 18 колонны и закреплены на вантах 26. Ванты выполнены из тонкого стального каната d=3 мм с минимальной поверхностью металла, что значительно уменьшает площадь подвески, препятствующей распылению, и, соответственно, уменьшает количество конденсирующейся воды, а следовательно, - капели в зоне распыления, что создает одинаковые условия обводнения для всех выращиваемых культур.

Форсунки расположены на трубных консолях 15 и 16 так, что шаги между соответствующими по порядку форсунками выполнены с перекрытием шагов между форсунками на другой консоли, а длина соседних шагов уменьшается по мере удаления от центра вращения.

Форсунки 22, расположенные на патрубках 24, имеют встречно-струйную конструкцию, их выходные отверстия направлены друг на друга, как показано на фиг.4. Конструкция этих форсунок обеспечивает минимальный расход воды (6÷12 л/ч при давлении воды в трубах 1÷4 ати), т.к. встречные потоки сдерживают друг друга при небольшом зазоре ˜0,5 мм между торцами 27 соосных выходных отверстий равного диаметра 0,5÷0,8 мм. При работе форсунок основная масса воды распыляется до состояния тумана, имея минимальную гравитацию, плавает у поверхности земли. Форсунки 23, расположенные на патрубках 25, имеют встречно-струйную конструкцию секторного типа, как показано на (фиг.5). У этих форсунок оси 28 выходных отверстий расположены под углом 160-179 градусов друг к другу, что позволяет направить туман на секторную площадь большего радиуса, чем с помощью форсунок, расположенных на патрубках 24.

При использовании высоковольтного источника 29 статического электричества напряжение прикладывают в зоне земельного участка к распыляемой воде, например, как изложено в описании к А.С. №1369818 от 14.04.1986, при этом на всех патрубках-отстойниках 24 и 25 устанавливают форсунки встречно-струйной конструкции секторного типа.

Ограниченный земельный участок 2, круглой или квадратной формы, огражден прозрачным ветрозащитным барьером 1 (например, из полиэтиленовой пленки). Барьер препятствует сдуванию воздуха, прогретого солнцем, в этой зоне. Ветрозащитный барьер высотой 3÷3,5 м обеспечивает повышение температуры воздуха в зоне (20×20 м²) распыления воды на 3÷4°С, препятствует сдуванию плавающего водяного тумана. Он является дополнительным увлажнителем воздуха зоны распыления, т.к. наиболее удаленная от центра вращения форсунка 23 омывает барьер 1 водой, посылая облако тумана и в углы 30 квадратной зоны распыления. Расстояние (˜0,2 м) от ветрозащитного барьера 1 до концов трубных консолей 15 или 16 обеспечивает их свободное перемещение (см. фиг.3).

Для лучшего удержания мельчайших частиц в зоне распыления воды по верхнему краю прозрачного ветрозащитного барьера закреплена неметаллическая сетка 31.

В зоне распыления воды размещены цифровые датчики: температуры 32, влажности 33, перемещения 34, дающие сигналы контроллерам 35, входящим в АСУ 36. Использование АСУ позволяет улучшить условия для растений в открытом грунте при различных изменениях погоды весной, летом и осенью. АСУ прерывает работу системы во время дождя.

Омагничиватель 37 установлен на участке напорной трубы между выходом второго клапана и ее разветвлением.

Система может осуществлять повороты трубных консолей 15 и 16 с распылением воды за счет накопленного давления в гидроаккумуляторе 8 при выключенном насосе 6. Тем самым сокращается расход электроэнергии, потребляемой системой (минимальная мощность насосного электродвигателя ˜1,5 кВт).

При работе системы насос 6 используется кратковременно для периодической подкачки давления в гидроаккумуляторе 8. АСУ получает сигналы от датчиков влажности и температуры воздуха земельного участка 2, дает сигналы на открывание клапанов 11 и 13 для распыления воды и перемещения трубных консолей 15 и 16 от накопленного давления в гидроаккумуляторе 8. Эти включения распыления воды, на практике, будут не реже чем через 15 минут.

Наиболее сложный период жизни растений наступает при похолодании и заморозках. В этих условиях микроклимат обеспечивается вегетационной системой в режиме с интенсивным подогревом воды.

По команде от АСУ включается насос 6 и закрывается третий клапан 13. При этом в замкнутых трубных коммуникациях 7 и 21 обеспечивается максимальный нагрев всей циркулирующей воды (до 95÷98°С). Затем от АСУ подается команда открыть третий клапан 13. Горячая вода поступает в форсунки 22 и 23. Потери тепла будут, но на небольшой длине консоли 16 (1,5 м от клапана 13 до первой форсунки). При мелком разбрызгивании до состояния плавающего тумана выделяется большое количество тепла, т.к. происходит резкий перепад давления на выходе форсунок. При этом выделяется не менее 336000 Дж тепла (минимальный расход каждой форсунки равен 6 л/ч, расход десяти форсунок составляет 60 л/ч, т.е. расход над участком, площадь которого составляет 400 м², равен 1 л/мин, или за минуту отдается тепло от 1 литра воды).

Воздух над огражденным участком нагревается до 16-18°С. Клапан 13 для распыления горячей воды включается через каждые 5 минут на 1 минуту. За 5 часов заморозков происходит не менее 50 включений, т.е. над всем участком распылится не более 50 литров горячей воды. Половина воды испарится в воздухе, при этом условная средняя интенсивность осадков составит не более 1,25 мм/см ² в час. Таким образом, во время заморозков даже при указанном интенсивном защитном распылении воды обеспечивается аэрация почвы, и улучшаются условия для растений в открытом грунте.

При с/х работах в предлагаемой системе возможно снимать секции ветрозащитного барьера для применения малогабаритной техники.

Объединением нескольких систем можно создать комплекс, состоящий из 10-12 ячеек, разделенных ветрозащитным барьером, с различными условиями для растений. Это актуально для экспериментальных работ и переноса знаменитых опытов из фитотрона в открытый грунт.

Используемая в системе колонна поворотная изготавливается в заводских условиях. Форсунки, электромагнитные клапаны (СВМ), гидроаккумулятор (экспанзомат фирмы «DUKLA»), фитинги, металлопластиковые трубы, омагничиватель, а также контроллеры (ПЛК 150 Российской фирмы «ОВЕН»), датчики и другое оборудование системы - покупные.

По сравнению с тепличным комплексом система обходится гораздо дешевле за счет:

- сокращения сроков монтажа (первый монтаж системы проводят два человека за 4÷6 дней);

- отсутствия расходов на применение дорогостоящей техники при монтаже (не применяются краны и т.д.);

- отсутствия затрат на оборудование для теплиц (стекло, приводы для открывания фрамуг, закрывания жалюзей притенения и т.д.);

- экономии на опрыскивателях и прочих реактивах;

- отсутствия необходимости механизированной планировки участка (колонна с консолями может поворачиваться и на участках с большими уклонами и неровностями поверхности земли).

Уменьшается потребность в:

- металлоконструкциях в 6-9 раз;

- трубах в 3÷6 раз;

- форсунках в 10÷15 раз;

- клапанах в 10÷15 раз.

Поэтому общая стоимость строительства сокращается более чем в 25÷30 раз.

Технический результат достигается за счет использования замкнутого, циркулирующего потока воды для поворота колонны с консолями, распыляющими туман. Система позволяет:

1. Нагревать всю воду до требуемой температуры (95÷98°).

2. Обеспечивать распыление горячей воды по всей площади земельного участка при незначительных потерях тепла.

3. Рационально использовать теплотворные свойства, сократив расход потребляемой воды более чем в десять раз.

4. Обеспечивать реальные возможности направленно стимулировать развитие растений с помощью незначительных, плавающих осадков.

В предлагаемой вегетационной системе вода используется одновременно для улучшения условий жизни растений и для привода перемещения форсунок, распыляющих воду по круговым секторам. Другие приводы рационально не решат поставленные задачи, т.к. будет сложно и дорого подвести необходимое тепло в зону распыления воды.

Главное отличие предлагаемой системы от любых других оросительных, обводнительных или вегетационных систем в том, что она может работать в открытом грунте над растениями круглосуточно с весны до осени.

При эксплуатации системы в жаркие часы 80% распыленной воды потребляется на увлажнение и охлаждение приземного воздуха, при этом ˜10% ее обволакивает поверхность растений и ложится на поверхность почвы. Таким образом, не потребляется излишнее количество воды, необходимость в ней сокращается в 15-20 раз. Обеспечивается аэрация почвы, а главное - обеспечивается полное использование энергии и спектра лучей солнца, в жаркие часы, что определяет ускоренную, здоровую вегетацию и необыкновенно высокие урожаи.