УСТРОЙСТВО ГИДРОПОННОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к области предпочтительно бессубстратного (в представленных материалах воду и воздух не относят к субстратам) выращивания растений путем питания их корневой системы жидкими растворами (далее - растворами) или аэрозолями.
Известна установка для выращивания растений с применением методов аэро- и гидропоники (заявка №2009121203 от 04.06.2009, авторы Мартиросян Ю.Ц., Харченко П.Н.), состоящая из корневой и стеблевой зон.
Такая установка может быть использована для выращивания безвирусных корнеплодов, в частности миниклубней картофеля.
Ее особенностью является то, что она выполнена из стоек, соединенных между собой поперечными перекладинами-стяжками, на которых установлены лотки-ростильни с откидными боковыми стенками, накрытые посадочными панелями, снабженными отверстиями для посадочного материала.
Данная установка выбрана в качестве прототипа.
К основному недостатку прототипа следует отнести сложность применения в нем серийно выпускаемых изделий из пластика, например канализационных труб, отводов, тройников, ревизий и проч., и проч., что существенно снижает его ремонтопригодность.
Технический результат от использования отличительных признаков представленной полезной модели заключается в возможности использования при ее построении и модернизации (наращивании) серийно выпускаемых высоконадежных изделий из пластика.
Помимо этого использование полезной модели позволяет сократить трудоемкость а) доступа к корневой зоне, осуществляемого при ухаживании за растениями и сборе миниклубней, а также б) технического обслуживания установки (ремонта, замены форсунок и проч.).
Но самое главное назначение представленной полезной модели - повышение продуктивности растений, увеличение числа вегетации до 4 и более в год, снижение удельной площади установки - отношения площади, занимаемой установкой, к числу выращиваемых растений.
Для достижения заявленного технического результата в известную установку для выращивания корнеплодных, клубнеобразующих растений с применением методов аэро- и гидропоники, состоящую из стеблевой и корневой зон, введены следующие главные отличительные признаки:
- в нее включена следующая совокупность функциональных блоков 1) выполненная с возможностью удерживания жидкости и фиксации в своей верхней части растений или держателей с ними камера (одна или несколько), предназначенная для размещения в ней корней, 2) верхняя часть боковой поверхности камеры, определяющая положение внешнего относительно камеры периодически освещаемого пространства стеблевой зоны, объем которого превосходит объем камеры, предназначенное для размещения стеблей, 3) опорная поверхность или поверхности, ограничивающие внешнее пространство (сверху и/или снизу, и/или с боков - слева, справа, спереди, сзади), 4) блок крепления камеры к опорной поверхности, 5) емкость с питательным раствором, соединенная с 6) жидкостным компрессором (насосом), подключенным к 7) расположенному в камере приспособлению для подачи питательного раствора в направлении корней, 8) узел стока питательного раствора после его возможного контакта с корнями, соединенный с емкостью, 9) искусственный осветитель стеблей с 10) креплением к опорной поверхности, 11) аэратор стеблей, 12) агрегат термостатирования внешнего пространства;
- камера выполнена в виде заглушенной на торцах цельной (например, канализационной) или составной (с или без стяжки) трубы со сквозными отверстиями в верхней части боковой (в частном случае - цилиндрической) поверхности (здесь предполагается, что труба расположена горизонтально);
- при этом в нижней части своей боковой поверхности труба имеет протяженную (вдоль своей оси) плотно закрывающуюся дверцу;
- дверца изготовлена из фрагмента камеры площадью, примерно равной половине площади боковой поверхности последней (при изготовлении дверцы труба может быть вдоль разрезана пополам, после чего, к внутренней поверхности одной из получившихся половинок могут быть приделаны накладки) и при этом дверца выполнена распахивающейся - открывающейся и одновременно отдаляющейся от камеры (но не до конца - камера может иметь специальный упор) для чего дверца крепится к камере (а правильнее сказать - к верхней половине камеры, поскольку сама дверца играет роль нижней половины камеры) посредством петель (например, типа рояльных), тогда как в плотно закрытом состоянии ее удерживает как минимум одна защелка (например, рычажная прижимная накладная фиксирующая);
- посредством блока крепления труба расположена таким образом, что отклонение ее оси от горизонтали не превышает ±15° (вообще, допустимое отклонение α следует выбирать исходя из длины камеры L с учетом ее высоты D (в частном случае с учетом ее диаметра) таким, чтобы гарантированно был исключен пролив питательного раствора через отверстия для стеблей в верхней части камеры, что будет обеспечено при выполнении условия - L·sinα<D);
- блок крепления представляет собой систему подвески камеры к некоторой внешней относительно камеры поверхности (оптимально с точки зрения организации прохода и размещения другого оборудования - к потолку, но можно через кронштейны к стенам и даже к полу) и при этом он выполнен с возможностью временного изменения положения камеры - ее смещения при прикладывании небольшого усилия или иначе - отклонения с обеспечением возможности самостоятельного восстановления первоначального положения камеры в пространстве (для этого могут использоваться гибкий подвес, шарнирные крепления камеры к подвесу, и др. конструктивные элементы).
Подвес выполняют с возможностью регулировки высоты расположения камеры и ее отклонения от горизонтали.
При этом целесообразно использовать трубы длиной до 12 м (оптимально с точки зрения инерции - чем длиннее камера, тем она тяжелее, тем больше моменты инерции - тем труднее отклонить ее от текущего положения - 3-5 м) с двумя точками крепления, расположенными вблизи торцов.
Помимо этого в представленной полезной модели может быть использован ряд частных отличительных признаков:
2
2
2
3
- дополнительно она может включать как минимум одно из следующих устройств 13) жидкостной фильтр (в основном выполняющий дезинфицирующую функцию), 14) инжектор СО и/или соответствующее газобаллонное оборудование, 15) улавливатель СО, 16) озонатор, 17) газобаллонное оборудование О, 18) инжектор O или озоно-воздушной смеси, 19) источник ионов металла (серебра), 20) воздушный компрессор, 21) водонагреватель, 22) систему инсоляции, 23) контур листовой подкормки и увлажнения; 24) источник ультразвука (в частности ультразвуковой парогенератор);
- предпочтительным является выполнение блока крепления с возможностью а) периодического изменения отклонения оси камеры от горизонтали (для чего, например, как минимум один из подвесов может крепиться к вращающемуся эксцентриковому кулачку то поднимающему, то опускающему один конец камеры) с частотой от одного цикла в несколько секунд до одного цикла в сутки - двое (что обеспечивает создание примерно одинаковых условий с точки зрения омывания корней питательным раствором для различных растений, высаженных в камеру) и б) изменения стационарного положения камеры на новое ее стационарное положение (для этого он может включать, например, рельсы или иные направляющие, например, поступательного движения, а подвес может крепиться к роликам) - при проведении работ с камерой ее удобнее располагать на открытом пространстве, тогда как для сокращения занимаемого установками пространства камеры предпочтительно группировать друг с другом;
- к жидкостному компрессору может быть подключен напорный трубопровод, к которому присоединяется распределительная трубка, располагаемая в камере (не снаружи - во избежание аварийных протечек во внешнее пространство);
- к распределительной трубке могут быть подключены форсунки (предпочтительно число форсунок должно быть равно или превосходить число «хороших» растений - число выращиваемых растений, от которых планируется получить урожай, а не число отверстий под растения и не число всех высаженных растений - практика показывает, что даже в случае замены дефектных растений (коих на начальном этапе может быть выявлено до 200-300%) уже на финише бесполезными окажутся 10-15% из оставленных растений) и при этом напротив форсунок в камерах могут быть расположены сторожки (например, выполненные из проволоки) таким образом, что на одну их часть попадают выходящие из форсунок при их работе раствор или аэрозоль, тогда как другая их часть (будучи, например, жестко связанной с упомянутой первой) расположена снаружи камеры (в результате колебания или вибрация сторожков будут подтверждать работоспособность тех или иных форсунок, что облегчит поиск забившихся или испорченных);
- форсунки в камере (с целью исключения разбрызгивания питательного раствора вовне) следует направлять в сторону петель двери (а не в сторону защелки), таким образом, распределительную трубку следует проводить со стороны защелки (в верхней части камеры со стороны образования дверного проема);
2
- установка может включать газобаллонное оборудование О (сами баллоны, защитные короба, трубопровод, шаровые краны, электромеханические клапана и т.п.) или воздушный компрессор (с шлангами и проч.), тогда как приспособление для подачи питательного раствора в направлении корней должно включать форсунки и при этом последние должны питаться в которые можно подавать? как упомянутыми здесь оборудованием и/или компрессором, так и жидкостным компрессором, упомянутым выше одновременно с целью получения мелкодисперсной аэрозоли при относительно большом диаметре отверстия, через которое в форсунке подается жидкость (образующая нерастворимый осадок, засоряющий форсунки);
2
- установка может включать улавливатель СО, расположенный над верхней частью камеры (вокруг зеленой массы растений) и представляющий собой поддон с высокими светопрозрачными стенками (и с «переливами» для перетекания углекислого газа при расположении камер одной под другой), в нижней части которого размещен вентилятор аэратора стеблей, выполненный с возможностью периодического включения/выключения (например, подключенный к таймеру);
- установка может включать источник ионов металлов (электрохимический), который выполнен автономным с точки зрения электропитания, погружным и размещен внутри рабочего объема емкости непосредственно в питательном растворе (такой источник предполагается использовать для дезинфекции последнего);
- установка может включать несколько похожих друг на друга камер, расположенных рядом на разных уровнях по вертикали и смещенных друг от друга по горизонтали на расстояние, соизмеримое с шириной зеленой массы растений (для уменьшения удельной площади установки);
- в качестве камеры может быть использована пластиковая цилиндрическая труба с местными отклонениями профиля в пределах 10% от диаметра (при больших отклонениях вероятны образования застоев питательного раствора), в другом исполнении камера может быть набрана (составлена) из тройников, ревизий и проч.;
- может использоваться труба и проч. диаметром от 110 до 476 мм (указаны числа из ряда);
- сквозные отверстия в верхней части камеры по своему периметру могут включать упруго деформируемые прокладки-вставки (которые должны обжимать стебель растения), так, в них могут быть вставлены неглубокие стаканы (с растениями) из упруго деформируемого материала (при этом должны быть обеспечена возможность простой замены стаканов);
- емкость может быть установлена под камерой - ниже уровня последней, при этом она может включать и/или мерные баки, уровень, мешалку, систему трубопроводов с патрубками, расходные краны, клапаны и проч.;
- установка может включать локализованный или распределенный (с разнесенными в пространстве органами управления в соответствии с местонахождением тех или иных блоков) аппарат ручного управления режимами работы ее блоков;
2
3
- также установка может включать датчики (например, СО, О, влажности, температуры), соединенные с аппаратом автоматического управления режимами работы ее блоков (предпочтительным, однако, с точки зрения учета всех факторов является ручное управление);
- узел стока может включать сифонный слив, предпочтительно с установленным внутри многоступенчатым сменным фильтром, отсекающим механические примеси;
- узел стока может быть прикреплен к камере в двух местах (со стороны переднего и заднего торцов - таким образом, при одном наклоне камеры во время ее периодического качания слив будет осуществляться в одном месте, а при другом - в другом);
- камера может включать перегородки (препятствующие переплетению корней различных растений) числом как минимум на одно меньшим числа сквозных отверстий (перегородки призваны облегчить изъятие стаканов с дефектными растениями);
- перегородки могут быть выполнены съемными (на финишных этапах выращивания в перегородках нет нужды, тогда как целесообразно предоставить корневой системе максимальную свободу), а также из сетчатого материала (что должно облегчить перетекание через перегородки питательного раствора).
Помимо этого.
Установка может включать дополнительные контуры подачи в камеру питательного раствора (например, при использовании различных растворов в «дневное» и «ночное» время).
Осветитель может включать инфракрасный фильтр и/или охладитель.
Крепление осветителя может обеспечивать возможность изменения положения последнего по вертикали.
Установка может иметь резервную емкость с запорным оборудованием, расположенную выше камеры. Такая емкость предназначена для питания растений в случае аварийного отключения электричества.
Камеры могут быть выполнены из светонепроницаемого материала Напорный трубопровод может подходить к торцу камеры, в заглушке которого может быть расположен соответствующий штуцер.
Полезная модель иллюстрируется 4 фигурами.
На фиг.1 показана блок-схема представленной установки.
На фиг.2 показана камера (вид сзади).
На фиг.3 - показана камера (вид спереди).
На фиг.4 - показана установка, составленная из нескольких камер.
Фиг.1 приведена для иллюстрации взаимосвязи между блоками установки.
Фиг.2 - 4 приведены для иллюстрации конструктивного исполнения узлов установки.
На фиг. приняты следующие обозначения:
1 - камера.
2 - освещаемое пространство.
3 - опорная поверхность.
4 - блок крепления камеры.
5 - емкость с питательным раствором.
6 - жидкостной компрессор.
7 - приспособление подачи питательного раствора.
8 - узел стока питательного раствора.
9 - искусственный осветитель.
10 - крепление осветителя к опорной поверхности.
11 - аэратор стеблей.
12 - агрегат термостатирования.
13 - жидкостной фильтр.
2
14 - инжектор СО.
2
15 - улавливатель СO.
16 - озонатор.
2
17 - газобаллонное оборудование O.
3
18 - инжектор О или озоно-воздушной смеси.
19 - источник ионов металла.
20 - воздушный компрессор.
21 - водонагреватель.
22 - система инсоляции.
23 - контур листовой подкормки и увлажнения.
24 - источник ультразвука.
25 - дверца камеры.
26 - петля крепления дверцы.
27 - защелка дверцы.
28 - кулачок.
29 - рельс.
30 - ролик.
31 - напорный трубопровод.
32 - распределительная трубка.
33 - форсунка.
34 - сторожок.
35 - вентилятор аэратора.
36 - прокладка.
37 - стакан.
38 - перегородка.
39 - штуцер.
h - горизонталь.
α - угол наклона камеры.
А - направление вращения кулачка.
Б - направление смещения камеры.
В - направление отклонения камеры.
С учетом принятых обозначений, представленную полезную модель можно описать следующим образом.
Установка должна состоять из стеблевой и корневой зон. При этом она должна включать выполненную с возможностью удерживания жидкости и фиксации в своей верхней части растений или держателей с ними камеру 1, предназначенную для размещения в ней корней, расположенное над камерой внешнее относительно нее освещаемое пространство 2 стеблевой зоны, объем которого превосходит объем камеры 1, опорную поверхность 3 или поверхности, ограничивающие внешнее пространство (сверху и/или снизу, и/или с боков - слева, справа, спереди, сзади), блок крепления 4 камеры к опорной поверхности, емкость 5 с питательным раствором, соединенную с жидкостным компрессором 6 (насосом), подключенным к расположенному в камере приспособлению 7 для подачи питательного раствора в направлении корней, узел стока 8 питательного раствора после его возможного контакта с корнями, соединенный с емкостью, искусственный осветитель 9 стеблей с креплением 10 к опорной поверхности, аэратор стеблей 11, агрегат термостатирования 12 внешнего пространства камеры.
Камера должна быть выполнена в виде заглушенной на торцах трубы со сквозными отверстиями в верхней части боковой поверхности, при этом в нижней части боковой поверхности труба должна иметь протяженную вдоль своей оси плотно закрывающуюся дверцу 25.
Упомянутая дверца должна быть изготовлена из фрагмента камеры площадью, примерно равной половине площади боковой поверхности последней и при этом она должна быть выполнена распахивающейся (но не до конца - камера должна иметь специальный упор), для чего она должна крепиться к камере посредством петель 26 (например, типа рояльных), тогда как в плотно закрытом состоянии ее должна удерживать как минимум одна защелка 27 (например, рычажная прижимная накладная фиксирующая).
Посредством блока крепления труба должна быть расположена таким образом, что отклонение ее оси от горизонтали h не превышает ±15° (угол α).
Блок крепления должен представлять собой систему подвески камеры к поверхности и при этом он должен быть выполнен с возможностью временного изменения положения камеры - ее смещения или иначе - отклонения (по стрелке Б) при обеспечении возможности самостоятельного восстановления первоначального положения камеры в пространстве (для этого могут использоваться гибкий подвес, шарнирные крепления камеры к подвесу, и др. конструктивные элементы).
2
2
2
3
Дополнительно установка может включать как минимум одно из следующих устройств: жидкостной фильтр 13 (в основном выполняющий дезинфицирующую функцию), инжектор СО 14 и/или соответствующее газобаллонное оборудование, улавливатель СО 15, озонатор 16, газобаллонное оборудование О 17, инжектор 18 О или озоно-воздушной смеси, источник ионов металла (серебра) 19, воздушный компрессор 20, водонагреватель 21, систему инсоляции 22, контур листовой подкормки и увлажнения 23; источник ультразвука 24.
Блок крепления может быть выполнен с возможностью а) периодического изменения отклонения оси камеры от горизонтали по стрелке В (для чего, например, как минимум один из подвесов может крепиться к вращающемуся по стрелке А эксцентриковому кулачку 28) с частотой от одного цикла в несколько секунд до одного цикла в сутки - двое и б) изменения стационарного положения камеры на новое ее стационарное положение (для этого он может включать, например, рельсы 29 или иные направляющие, например, поступательного движения, а подвес может крепиться к роликам 30).
К жидкостному компрессору может быть подключен напорный трубопровод 31 с присоединенной к нему распределительной трубкой 32, располагаемой в камере (во избежание протечек во внешнее пространство).
К распределительной трубке могут быть подключены форсунки 33 (предпочтительно число форсунок должно быть равно или превосходить число растений) и при этом напротив форсунок в камерах расположены сторожки 34 (например, выполненные из проволоки) таким образом, что на одну их часть попадают выходящие из форсунок при их работе раствор или аэрозоль, тогда как другая их часть (будучи, например, жестко связанной с упомянутой первой) расположена снаружи камеры.
Форсунки в камере (с целью исключения разбрызгивания питательного раствора вовне) предпочтительно должны быть направлены в сторону петель двери (не в сторону защелки).
2
Установка также может включать газобаллонное оборудование О 17 или воздушный компрессор 20, тогда как приспособление 7 для подачи питательного раствора должно включать форсунки 33 и при этом последние должны питаться как упомянутыми здесь оборудованием и/или компрессором, так и жидкостным компрессором 6.
2
Установка может включать улавливатель СО 15, расположенный в верхней части камеры и представляющий собой поддон с высокими светопрозрачными стенками, в нижней части которого размещен вентилятор аэратора стеблей 35, выполненный с возможностью периодического включения/выключения (например, подключенный к таймеру).
Установка дополнительно может включать источник ионов металлов 19, который выполнен погружным и размещен внутри рабочего объема емкости 5.
Установка также может включать несколько похожих друг на друга камер, расположенных рядом на разных уровнях по вертикали и смещенных друг от друга по горизонтали (фиг.4).
В качестве камеры может использоваться пластиковая цилиндрическая труба с местными отклонениями профиля в пределах 10% от диаметра, в другом исполнении камера может быть набрана (составлена) из тройников, ревизий и проч. При этом значение диаметра трубы может лежать в пределах от 110 до 476 мм.
Сквозные отверстия в верхней части камеры по своему периметру могут включать упруго деформируемые прокладки 36 - вставки, в которые могут быть вставлены неглубокие стаканы 37 из упруго деформируемого материала.
Емкость 5 может быть установлена под камерой - ниже уровня последней, при этом она может включать и/или: мерные баки; уровень; мешалку; систему трубопроводов с патрубками; расходные краны; клапаны.
Установка также может включать локализованный или распределенный (с разнесенными в пространстве органами управления в соответствии с местонахождением тех или иных блоков) аппарат ручного управления режимами работы ее блоков.
2
3
Установка может включать датчики (например, СО, О, влажности, температуры), соединенные с аппаратом автоматического управления режимами работы ее блоков.
Узел стока 8 может включать сифонный слив, предпочтительно с фильтром 13, отсекающим механические примеси.
Узел стока может быть прикреплен к камере в двух местах (со стороны переднего и заднего торцов - таким образом при одном наклоне камеры во время ее периодического качания слив будет осуществляться в одном месте, а при другом - в другом).
Камера может включать перегородки 38 (препятствующие переплетению корней различных растений) числом как минимум на одно меньшим числа сквозных отверстий. При этом перегородки могут быть выполнены съемными, а также из сетчатого материала.
Установка может включать дополнительные контуры подачи в камеру питательного раствора.
Трубы могут быть выполнены из светонепроницаемого материала.
Напорный трубопровод может подходить к торцу камеры, в заглушке которого может быть расположен штуцер 39.
Эксплуатация представленной модели сводится к следующему.
Предварительно полученную рассаду помещают в держатели камеры - по одному растению в каждый из держателей.
В емкость загружают предварительно растворенные в небольшом количестве воды компоненты питательной смеси, доливают воду до отмеченного уровня и перемешивают с помощью мешалки. Затем открывают кран подачи, подключают жидкостной компрессор.
Настраивают режим работы компрессора, например, 2 минуты подачи питательного раствора 2 раза в час на протяжении суток.
-5
-1
Одновременно настраивают режим работы искусственного осветителя, например, в начальный период вегетации (развитие листового аппарата) 16 ч фотопериод при импульсном освещении 10 с импульс/10 с пауза. Также устанавливают оптимальную с точки зрения размеров зеленой массы растений высоту подвеса искусственного осветителя. В ходе роста растений эту высоту меняют соответствующим образом.
В случае наличия системы инсоляции искусственный осветитель используют как дополнительный источник освещения для увеличения фотопериода и/или усиления освещенности.
Включают все оборудование, необходимое для жизнеобеспечения растений.
Питательный раствор начинает поступать по трубопроводу в камеру через форсунки, при этом к нему может подмешиваться воздух для более интенсивного распыления. Таким образом питательный раствор омывает корни растений. Постепенно он начинает скапливаться на дне камеры.
Для осуществления слива питательного раствора из камер используют блок крепления, с помощью, например, кулачкового механизма которого изменяют угол наклона камер относительно горизонтали. Таким образом, стекший в узел слива питательный раствор через сифонный слив попадает в трубопровод, где проходит фильтр механической очистки и возвращается в емкость.
Режим работы блока крепления настраивают в соответствии с режимом работы жидкостного компрессора.
2
2
Также, при наличии, в течение фотопериода включают инжектор СО, использование которого целесообразно при одновременном использовании улавливателя СO.
Состояние корневой системы, а также клубнеобразование контролируют путем открывания дверцы. Сбор клубней также осуществляют посредством открывания дверцы.
Как уже отмечалось, технический результат от использования представленной установки заключается в возможности использования при ее построении и апгрейде серийно выпускаемых высоконадежных изделий из пластика. Действительно, ведь толщина стенок последних (например, канализационных труб) превосходит 3 мм, чего вполне достаточно с точки зрения прочностного расчета представленной конструкции установки.
Использование описанной выше дверцы позволяет существенно по сравнению с прототипом сократить трудоемкость обслуживания установки примерно в четыре раза.
2
Использование же всей совокупности отличительных признаков представленной полезной модели позволяет также довести число вегетации, например, картофеля (при выращивании миниклубней) до 4 - 5 в год (простота доступа к клубневой зоне позволяет предъявлять более высокие требования к разноразмерности собираемых миниклубней и своевременно прервать вегетацию) и снизить удельную площадь установки до 0,02 м/растение (картофеля) при одноярусном расположении камер.
2
Указанный технический результат подтвержден в ходе проведения экспериментальных работ на ОАО «Экситон», г.Павловский Посад в 2010-2012 гг.на установке, площадью порядка 1 тыс.м.