ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДОЖДЕВАТЕЛЬ
AIR-HYDRAULIC SPRINKLER

Изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению, в частности, к технике полива мелкодисперсным и капельным дождеванием, фертигации растений, для получения регулируемых по размерам капель искусственного дождя и может быть использовано при возделывании широкого спектра сельскохозяйственных культур.
Известны способ и устройство водовоздушного распыления жидкости путем направленного воздействия на объем жидкости газом под давлением, газ перед воздействием на жидкость пропускают через сопло в направлении подачи жидкости [Патент RU 2011426, C1 В05В 1/08. Способ импульсного распыления жидкости и устройство для его осуществления / Иголкин А.И., Томаев В.К., Павлов B.C., Козлов В.И. №5062952/05, Заявл. 24.09.1992, Опубл. 30.04.1994]. В устройстве разделенные запорным клапаном камера для сжатого газа и емкость для жидкости с выпускным отверстием, в процессе работы сообщаются через сопло.
Недостатками известного технического решения являются сложность его конструкции, заключающаяся в наличии гидропневмодинамического устройства с компрессором и прерывателем воздушного потока, необходимых для подачи порций сжатого воздуха в воду для образования мелкодисперсной струи, его невысокая эксплуатационная надежность при работе с небольшими объемами жидкой фазы и невысоких давлениях подачи газовой фазы, сложность внесения жидких химикатов для борьбы с болезнями и вредителями одновременно с поливом, внекорневой подкормки растений, а также регулирования размеров капель искусственного дождя.
Известен дождевальный аппарат, корпус которого содержит ствол для ближнего полива и ствол для основного полива, включающий насадку, имеющую камеру смешения воды и воздуха, крышку с прорезью для поступления атмосферного воздуха в камеру и сопло, имеющее сечение меньшее, чем сечение камеры [Патент KZ 26143, A01G 25/00. Дождевальный аппарат / Жарков В.А, Калашников А.А, Джумабеков А.А., Гричаная Т.С., Ангольд Е.В., Кандрин Н.И. №2011/1055.1, Заявл. 12.10.2011, Опубл. 14.09.2012, БИ №9]. При прохождении потока воды через сопло ствола для основного полива создается зона разрежения в месте сопряжения сопла и камеры, осуществляется «всасывание» воздуха, смешивание его с водой, и образующаяся мелкодисперсная струя подается в атмосферу к растениям.
Недостатком известного дождевального аппарата является его низкая эксплуатационная надежность при обычном дождевании, заключающаяся в необходимости глубокой очистки воды для его питания как основной активной рабочей фазы, подачу воздушной фазы осуществляют при атмосферном давлении, сложность внесения жидких химикатов для борьбы с болезнями и вредителями одновременно с поливом, внекорневой подкормки растений, а также регулирования размеров капель искусственного дождя.
Известна вихревая форсунка, содержащая корпус со шнеком, выполненным сплошным, который содержит направляющие на внешней поверхности и распылительный диск, расположенный соосно в нижней части корпуса, и расположенный в верхней части корпуса штуцер с цилиндрическим отверстием для подвода жидкости, соединенный с диффузором, осесимметричным корпусу и штуцеру, при этом шнек запрессован в корпус с образованием конической камеры, расположенной над шнеком соосно диффузору и соединенной с ним последовательно [Патент RU 2570441, В05В 1/34. Вихревая форсунка Кочетова / Кочетов О.С. №2014138366/05, Заявл. 23.09.2014, Опубл. 10.12.2015, Бюл. №34]. Распыление потока жидкости происходит при ее подаче по цилиндрическому отверстию в диффузор, а из него в коническую камеру, из которой под давлением она поступает во внешнюю винтовую полость шнека для турбулизации, а на выходе из форсунки вращающийся факел жидкости взаимодействует с распылительным диском. Устройство позволяет осуществлять распыление воды и растворов.
Недостатком известной вихревой форсунки является сложность конструкции, низкая эксплуатационная надежность в производственных условиях сельскохозяйственного орошения, отсутствие возможности использования энергии воздушной фазы для повышения степени распыления жидкости и растворов, а также регулирования размеров капель искусственного дождя.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому техническому решению является форсунка для пылеподавления, содержащая корпус, канал для подачи газа, расположенное с ним на одной оси сопло и полость с входным и выходным каналами для жидкости. На корпусе форсунки выполнена наружная резьба, предназначенная для закручивания регулировочной гайки с внутренним уступом и кольцевым резиновым уплотнением. Гайка обеспечивает возможность изменения ширины кольцевой щели форсунки в диапазоне 0,5-3 мм. В качестве рабочей жидкости может быть использована вода, ионизированная вода, смесь воды с различными добавками [Патент RU 2446021, В05В 7/12. Форсунка для пылеподавления / Пашкевич М.А., Смирнов Ю.Д., Иванов А.В., Добрынин О.С., Бульбашов А.А. №201034137/05, Заявл. 13.08.2010, Опубл. 27.03.2012, Бюл. №9 - прототип]. При работе известного устройства жидкость под давлением по каналу через радиальную выточку и кольцевую щель поступает в смесительную камеру, куда одновременно подается сжатый воздух. В смесительной камере жидкость подвергается распылению, а затем образовавшаяся водовоздушная смесь направляется в диффузор. Сжатая смесь в виде воздуха с отдельными каплями жидкости, проходя через кольцевую щель, ускоряется в ней до сверхзвуковых скоростей и оказывается в конце расширения в состоянии перенасыщения, обусловленного выделением скрытой теплоты парообразования при конденсации.
Недостатками известного устройства является необходимость подачи исходных рабочих фаз для смешивания воздуха и жидкости при высоких давлениях для его функционирования при получении искусственного дождя, низкая эксплуатационная надежность при обычном дождевании широкого спектра сельскохозяйственных культур в производственных условиях, повышенные требования к качеству исходной жидкой фазы.
Данные недостатки обусловлены конструктивно-технологическими особенностями устройства, в котором осуществляется использование воздуха в качестве основной активной фазы, которая подается последовательно в камеру смешивания и диффузор через сопло центрального осевого канала, необходимостью поддерживания давления воздуха в заданных пределах, а жидкость в камеру смешивания и диффузор поступает через радиальную выточку и регулируемую от 0,5 мм кольцевую щель.
Поэтому целью предлагаемого изобретения является расширение технологических возможностей пневмогидравлического дождевателя, повышение эксплуатационной надежности при орошении широкого спектра сельскохозяйственных культур и фертигации (одновременного введения растворенных удобрений, микроэлементов или пестицидов с оросительной водой), обеспечение устойчивости распыления жидкой фазы и регулирования размеров капель искусственного дождя при снижении давления воздуха и сокращении энергозатрат.
Для решения поставленных задач предложен пневмогидравлический дождеватель, содержащий корпус, канал для подачи газа, канал для подачи жидкости, камеру смешения, регулируемый кольцевой зазор, фиксационную гайку, кольцевую резиновую прокладку, диффузор, сопло, согласно изобретению корпус, выполнен из двух частей: одна часть - для подачи исходных жидкой и газообразной фаз, а другая - для вывода распыленной жидкости, расположенных вдоль общей оси на резьбовом соединении с образованием между ними диффузора для воздуха, причем в части корпуса для подачи исходных жидкой и газообразной фаз расположен канал для подачи жидкости, выполненный в штуцере, снабженном наружной резьбой с конусообразным сужением поперечного сечения канала, переходящего в сопло, с выполненными винтообразными углублениями, при этом штуцер имеет конусообразную наружную форму у выходного конца, а камера диффузора соединена со штуцером для подачи воздуха, установленным тангенциально, и кольцевым зазором для подачи воздуха, образованным конусообразной парой поверхностей выходной наружной части штуцера для подвода жидкости и углублением в части корпуса для вывода распыленной жидкости так, что вращающиеся в одном направлении потоки жидкости и воздуха в камере смешения имеют возможность встречи, а величина кольцевого зазора выполнена регулируемой за счет изменения и фиксации положения штуцера для подачи жидкости в части корпуса для подачи исходных фаз, при этом кольцевой зазор по направлению движения фаз соединен с камерой смешения и выпускным соплом, снабженным углублениями винтообразной формы.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявляемом пневмогидравлическом дождевателе по центральному каналу вдоль его оси осуществлена подача жидкости, воздух поступает через канал штуцера, установленный тангенциально в камеру цилиндрической формы - диффузор, охватывающей центральный канал и размещенный перед выполненным конусообразно кольцевым зазором подачи воздуха в камеру смешивания по направлению движения фаз, а жидкая фаза через суженную на выходе часть канала штуцера имеет возможность поступать в камеру смешения, в которой создано разрежение и воздух поступает под давлением из диффузора, а за камерой смешения расположено выпускное сопло, снабженное углублениями винтообразной формы на поверхности цилиндрической формы, контактирующей с образовавшейся смесью фаз. Пневмогидравлический дождеватель способен работать как при повышенных давлениях воздуха, так и при атмосферном давлении.
В отличие от известных дождевателей, включающих конусообразные кольцевые зазоры, которые решают или другие технические задачи или требуют для функционирования избыточного давления воздуха, в заявляемом дождевателе воздух может быть втянут в дождеватель из атмосферы под действием разрежения, возникающего в камере смешения, требования к чистоте жидкой фазы понижено, а попадание ее в камеру для воздуха при работе устройства исключено.
Таким образом, заявляемый пневмогидравлический дождеватель соответствует критерию «новизна».
Сущность изобретения поясняется графическим материалом, где приведено схематическое изображение пневмогидравлического дождевателя: на фиг. 1 - вид сбоку, на фиг. 2 - разрез А-А фиг. 1.
Пневмогидравлический дождеватель содержит корпус, состоящий из двух частей: первой части 1, включающей камеру смешения 2, выпускное сопло 3 с винтобразными углублениями 4, конусообразное кольцевое углубление 5 и штуцер для подачи воздуха 6 в диффузор 7, и второй части 8, соединенной с первой частью 1 резьбовым соединением 9 через резиновый уплотнитель 10, размещенный в выборке 11. Вторая часть 8 корпуса дождевателя содержит установленный подвижно на резьбе 12 с фиксатором 13 штуцер 14 с каналом 15 для подачи жидкой фазы с конусообразным сужением 16 у выходного конца, переходящим у сопло 17 штуцера с винтообразными углублениями 18. Кольцевой конусообразный пневмозазор 19 создается между кольцевым конусным углублением 5 и конусным выходным концом 20 штуцера 14 и соединяет камеру диффузора 7 с камерой смешения 2.
Пневмогидравлический дождеватель работает следующим образом. Поток жидкой фазы под давлением поступает по каналу 15 штуцера 14, получает ускорение в конусообразном сужении 16 канала 15 и поступает в сопло 17 штуцера 14, где приобретает вращение за счет движения по винтообразным углублениям 18, выполненным на цилиндрических стенках сопла, контактирующих с жидкостью и выбрасывается в камеру смешения 2, в которой создается разрежение для поступающего частично с завихрением по конусообразному кольцевому зазору 19 воздуха под давлением с преобразованной в него частью кинетической энергии воздуха из диффузора 7, а в диффузор 7 поступает по каналу тангенциально установленного штуцера 6 от компрессора. От соударения струй воздушной и жидкой фаз образуется жидкостно-воздушный поток. Распыленная воздухом жидкость поступает в выпускное сопло 3, где вращением по винтообразным углублениям 4 дополнительно завихряется и выбрасывается в окружающую среду.
При нагнетании воздуха под давлением степень регулирования распыления жидкости осуществляется при изменении величины кольцевого пневмозазора 19, образованного между конусными поверхностями соосно центральному жидкостному каналу. В предлагаемом устройстве воздух может быть диспергирован в жидкую фазу из атмосферы под действием разрежения, возникающего в камере смешения, без принудительного воздействия. Требования к чистоте жидкой фазы определено величиной поперечного сечения жидкостного канала и компонентами для фертигации, а попадание жидкости в камеру для воздуха при работе устройства исключено.
При распылении жидкости использование винтообразного спирального завихрителя незначительно увеличивает гидравлическое сопротивление устройства, длина образующегося жидкостно-воздушного факела увеличена с уменьшением поверхностного натяжения и вязкости жидкости. С увеличением поверхностного натяжения и вязкости возрастает диаметр образующихся при распаде струй капель.
Испытаниями экспериментального образца предлагаемого пневмогидравлического дождевателя, проведенными в лабораторных и в полевых условиях экспериментального хозяйства Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского» пгт. Аграрное г. Симферополь подтверждено устойчивое получение искусственного дождя при распылении воды, подаваемой из водонакопителей и открытых водоемов, в том числе с добавками активаторов, установлена принципиальная возможность регулирования дисперсности распыляемой жидкой фазы и применения устройства для орошения как высокостебельных, так и низкорослых растений.
Корпуса пневмогидравлических дождевателей изготовлены из бронзы и плексигласа. Диаметр канала подачи жидкости 8 мм, в зоне сужения и сопла - 4 мм, диаметр канала подачи воздуха - 5 мм, диффузора - 23 мм, камеры смешения 9 мм, диаметр выпускного сопла - 5 мм, нарезаны по спирали винтообразные двухзаходные углубления, 0,6 мм имеющие шаг витков 5,3 мм, в сопле для сплошной и 6,6 мм - в сопле для распыленной жидкости. При фертигации сельскохозяйственных культур для равномерного распыления жидкости кольцевой пневмозазор регулировали до 1,5 мм.
Использование изобретения расширяет технологические возможности пневмогидравлического дождевателя по качеству используемой жидкой фазы, обеспечивает его работу на воде и на водных растворах с ингибиторами и защитными свойствами, при повышенных давлениях воздуха и при атмосферном давлении, а также обеспечивает регулирование размеров капель искусственного дождя при снижении давления воздуха, за счет этого полив искусственным дождеванием как высокостебельных сельскохозяйственных культур, так и низкорослых растений, обеспечивает сокращение энергозатрат.
Совокупность существенных признаков заявляемого изобретения позволяет достигнуть технический результат, о чем свидетельствует существующая следующая причинно-следственная связь. Выполнение подачи жидкости в конструкции пневмогидравлического дождевателя по центральному каналу штуцера вдоль его оси, подачи воздуха через канал штуцера, установленный тангенциально в камеру цилиндрической формы - диффузор, охватывающей центральный канал и размещенный перед выполненным конусообразно кольцевым зазором подачи воздуха в камеру смешения по направлению движения фаз, а жидкая фаза через суженную на выходе часть канала штуцера поступает в камеру смешения, в которой создано разрежение и воздух поступает из диффузора, а за камерой смешения расположено выпускное сопло снабженное углублениями винтообразной формы на цилиндрической поверхности, контактирующей с образованной смесью фаз.
В целом, указанные отличительные признаки и свойства пневмогидравлического дождевателя расширяют технологические возможности и сокращают энергозатраты при искусственном дождевании высокостебельных растений и низкорослых сельскохозяйственных культур, в том числе с применением фертигации.