ОРОСИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
IRRIGATION DEVICE

Изобретение относится к области сельского хозяйства, конкретно к устройствам полива и орошения огородных культур на приусадебных участках и небольших фермерских хозяйствах.
Полив и орошение овощных и огородных культур - один из важных агротехнических приемов, от которого зависит не только качество урожая, но и сроки его созревания, а также здоровье и настроение человека. Указанные культуры требуют при выращивании необходимого количества воды, поэтому получить высокий урожай качественных овощных и ягодных культур без хорошо организованного полива или орошения практически невозможно.
Человечество на протяжении веков изобретало и совершенствовало оросительные системы, считая это важным направлением развития общества. Различные оросительные каналы, дамбы, регулируемые водосбросы явились первым толчком совершенствования этих систем.
В наше время развитие систем полива и орошения происходит с использованием всех современных достижений в области технологии материалов и электроники.
Широко известны дождевальные устройства для парков и скверов городов, территорий отелей, позволяющие осуществлять полив водопроводной водой больших площадей, засаженных цветами и травами с минимальным участием человека и минимальной трудоемкостью ручных работ. Данные устройства, их еще называют системами полива или дождевания, включают в себя разветвленную сеть трубопроводов, уложенных на земле или слегка заглубленных в землю, по которым вода поступает к форсункам или распределительным соплам различного типа. Каждая форсунка распыляет воду в капельном виде на определенную площадь.
Приведенные выше системы позволяют с минимальной трудоемкостью орошать большие площади насаждений, однако для орошения овощных и огородных культур они чаще всего не пригодны. Такие системы позволяют человеку включать и выключать полив, однако они не учитывают требования к температуре воды, которая для этих культур должна быть теплой. Практически все городские и коттеджные системы орошения получают воду от городского водопровода или скважины, где вода всегда холодная. Даже летом температура воды в скважине составляет 8-10°С.
При этом овощные культуры, такие как тыквы, кабачки, огурцы, патиссоны, помидоры, перец требуют для полива воды, нагретой до температуры 24-26°С. Полив холодной водой теплолюбивых растений часто вызывает у них заболевания или замедление роста.
Известны любительские устройства орошения теплой водой, которая поступает из емкости, нагретой солнечными лучами. Среди наиболее распространенных любительских устройств для орошения капельным способом можно отметить устройство, описанное в книге Р.В.Тяна «Оригинальные поделки для садоводов и огородников», Москва, изд. Экслибрис-Пресс, 1997 г. В устройстве для орошения, описанном в этой книге, используются стеклянные или пластиковые емкости объемом 3-5 литров без дна, но закрытые крышками. В крышке просверлены отверстия, в которые вставляются гибкие капиллярные трубки с внутренним диаметром 1-2 мм. Места прохода этих трубок в крышку герметизируются и крышка насаживается на горлышко емкости. Емкость и гибкие трубы прикапывают в грядку, при этом концы гибких трубок подводят к ближним кустам, например, огурцов. В банку наливают воду и регулируют поступление воды через каждую трубку, пережимая ее. Таким образом, можно добиться, чтобы вода из 5-литровой банки по капиллярным трубкам поступала непрерывно 1-2 дня. Несмотря на популярность этого способа, у него есть серьезные недостатки. Капиллярные трубки часто засоряются землей и вода перестает поступать в грядки. Кроме того, большие птицы садятся на края этих сосудов, чтобы попить воды и опрокидывают их.
Несколько прототипов оросительных установок представлены в книге Круглякова Ю.А. «Оборудование для непрерывного выращивания зеленого корма гидропонным способом», Москва, Агропромиздат, 1991 г. Среди них есть установки, защищенные патентами других стран. На стр.24 этой книги приведена стеллажная установка для выращивания кормовой смеси, защищенная патентом США №3284948. Устройство орошения в этой установке выполнено на основе трубы-коллектора с форсунками, размещенными равномерно по длине коллектора. При этом труба-коллектор с форсунками закреплена на несущей конструкции установки, в которой размещаются стеллажи с растущей зеленью. Полив осуществляется водопроводной водой.
Оригинальная система орошения одноярусной вегетационной поверхности представлена в патенте США №3579907 (МКИ А01G 31/02, НКИ 47-17), подробно описанном в упомянутой выше книге на с.26-27. В горизонтальном замкнутом трубопроводе большого диаметра, на поверхности воды, залитой до высоты чуть меньше половины диаметра трубы, размещены круглые плоские поддоны, на которых и происходит выращивание зеленого корма. Внутри трубопровода установлены система освещения и устройство орошения. При прохождении каждого из поддонов над форсункой вегетационная поверхность поливается методом дождевания. Недостатком этого устройства является его энергоемкость, поскольку в качестве источника света используются искусственные светильники, а не солнечный свет.
Наибольшее развитие устройства орошения и дождевания достигли при выращивании гидропонных зеленых кормов (ГПК), где эти устройства применяются также и для подачи питательного раствора, в основном методом дождевания и подтопления. По своему принципу орошение подтоплением связано с применением для каждого полива больших количеств раствора, что требует наличия в устройствах орошения резервуаров большого объема, и возвратом в них использованного раствора. Подача воды на вегетационную поверхность (грунт с прорастающими растениями) осуществляется с помощью насоса. Это является недостатком этой схемы - частое засорение фильтра перед насосом. Поэтому предпочтение часто отдается устройствам орошения с верхней подачей воды, т.е фактически устройств дождевания.
В известных гидропонных установках используются три основных схемы устройств дождевания:
- стационарная сеть равномерно-распределенных над вегетационной поверхностью неподвижных форсунок,
- равномерное перемещение штанги с форсунками над всей вегетационной поверхностью,
- равномерное перемещение вегетационной поверхности через зону действия неподвижной штанги с форсунками.
Дождевание по первой схеме широко используется в установках для выращивания гидропонных зеленых кормов по патентам Великобритании №1374076 (МКИ A01G 31/00, НКИ А1Е) и Франции №2502899 (МКИ A01G 31/20). Однако эта схема при увеличении площадей вегетации ведет к увеличению количества форсунок, что снижает надежность установки орошения и повышает трудоемкость ремонтных работ.
Для снижения числа используемых форсунок в патенте Франции №2074900 (МКИ A01G 31/00) применена установка форсунок на изогнутых трубках, имеющих подвижное герметичное соединение с коллекторным трубопроводом. При подаче раствора трубка с форсункой под действием реактивной силы начинает вращаться вокруг точки присоединения к трубопроводу, что позволяет в несколько раз снизить требуемое количество форсунок.
В патенте Великобритании №2121263 (МКИ A01G 31/02, НКИ А1Е4) предлагается перемещать подвесную вертикальную штангу с форсунками по монорельсу вдоль боковой поверхности многоярусного стеллажа с посевами ГЗК. Увлажнение посевов происходит при боковом дождевании.
В установке по патенту Франции №2501462 (МКИ A01G 31/00) подвижные секции с посевами перемещаются конвейером по замкнутой траектории мимо неподвижно установленной штанги с форсунками.
Прототипом предлагаемого изобретения является устройство орошения гидропонной установки Hydrodan (Великобритания), описание и изображение которой представлены в упомянутой выше книге Круглякова Ю.А. «Оборудование для непрерывного выращивания зеленого корма гидропонным способом», Москва, Агропромиздат, 1991 г. на стр.37-38, рис.11.
Установка для выращивания зеленой массы выполнена в виде теплоизолированной камеры, устанавливаемой на открытом воздухе. Внутри камеры симметрично центральному проходу расположены 12-ярусные стеллажи с посевами. Увлажнение посевов осуществляется методом дождевания. Устройство увлажнения выполнено по замкнутому циклу в виде стационарной сети распыляющих форсунок с шагом, обеспечивающим их расположение между ярусами стеллажей. Питательный раствор подается насосом высокого давления из расположенного под полом бака для хранения раствора. Установка для выращивания зеленой массы с данным устройством орошения устанавливается на ровной грунтовой площадке и подключается к электрическим, водопроводным и канализационным сетям. Излишки раствора попадают на пол установки и сливаются обратно в бак. Длительность цикла дождевания 10 минут, периодичность 6 часов. Устройство орошения подключено к водопроводной сети, выполнено из нескольких полиэтиленовых труб и пластиковых щелевых распыляющих форсунок, закрепляемые на изогнутых распределяющих патрубках накидными гайками.
Трубы устройства орошения размещены на продольных стенках теплоизолированной камеры и состоят из 2 горизонтальных коллекторов и гидравлически связанных с ними нескольких вертикальных стояков с распылительными форсунками. В данном устройстве орошения установлено 456 форсунок. Жидкость для полива подается в систему с помощью центробежного насоса. Общий суточный расход электроэнергии при производстве ГЗК составляет 80…130 кВт·ч в зависимости от наружных климатических условий. На досвечивание посевов, независимо от места размещения установки, потребляется около 55 кВт ежедневно.
Размеры площадки для размещения установки 5 м×15 м.
Установки подобного класса рекомендуются для фермерских хозяйств в районах с недостатком пахотных площадей. К недостаткам самой установки для выращивания зеленой массы следует отнести высокую энергоемкость, связанную с нахождением посевов в замкнутом теплоизолированном корпусе под искусственным освещением, т.е выращивание зеленой массы без использования энергии Солнца. Оросительное устройство этой установки, взятое авторами за прототип, тоже имеет недостатки, а именно разветвленная система трубопроводов, закрепленная на корпусной оболочке, большое количество форсунок и слив излишков раствора по поверхности пола обратно в бак обуславливают высокую стоимость системы, вероятность ее засорения и трудоемкость ремонта. Кроме того, орошение осуществляется водопроводной водой или скважинной водой с низкой температурой, которая вредна для большинства огородных и садовых культур. Нагрев же ее до необходимой температуры 24-26°С в прототипе также требует затрат электроэнергии. Недостатком устройства является также то, что резервуар с водой расположен ниже поверхности полива, что также требует дополнительных затрат электроэнергии.
Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков устройства орошения прототипа, а именно снижение его энергопотребления и стоимости, при одновременном повышении его универсальности применения к разным размерам посадочных гряд.
Указанная цель достигается тем, что устройство для выращивания выполнено в виде пространственной сборно-разборной трехмерной каркасной конструкции из труб, в верней части которой расположен продольный коллектор с длиной, равной длине посадочной гряды, гидравлически связанный с боковыми водораспределительными трубопроводами, выполненными в виде одинаковых симметричных относительно продольного коллектора параллельных полуокружностей, плоскость которых перпендикулярна оси продольного коллектора, диаметр полуокружностей выбирается равным ширине посадочной гряды В, торцы распределительных каркасных трубопроводов герметично заглушены вертикальными съемными стойками, длина которых выбирается из соотношения L=Н-В/2+С, где Н - полная высота каркасной конструкции устройства после установки в гряду, С - величина заглубления вертикальной съемной стойки в гряду, при этом каждый распределительный трубопровод имеет с вогнутой стороны отверстия для орошения, внешняя оболочка устройства выполнена съемной из мягкого светопрозрачного материала, при этом продольный коллектор гидравлически связан с магистралью подачи воды на полив из резервуара через нормально закрытый соленоидный вентиль, в напорный трубопровод резервуара введен нормально закрытый соленоидный вентиль, резервуар установлен на высоте, большей полной высоты Н, объем резервуара выбирается большим объема воды для суточного орошения, внутри резервуара установлен регулятор уровня с поплавковым электрическим датчиком с функцией подачи напряжения питания на исполнительный орган при достижении минимального уровня воды и функцией отключения напряжения питаний от исполнительного органа при достижении максимального уровня воды в баке, при этом минимальный уровень воды выбран выше уровня воды после однократного суточного полива, в состав устройства введен суточный таймер, электрически связанный с соленоидным вентилем в магистрали подачи воды на полив, датчиком регулятора уровня и с соленоидным вентилем в напорном трубопроводе.
Технический результат при использовании предложенного оросительного устройства для выращивания огородных культур на грядах достигается за счет того, что в отличие от существующих в настоящее время аналогичных устройств оно обладает следующими положительными свойствами:
- в устройстве совмещены каркасные силовые конструкции с распределительными трубопроводами системы орошения, что снижает стоимость устройства;
- связь геометрии сборно-разборной трехмерной конструкции с размерами огородной гряды и размером выращиваемых огородных культур, наличие отверстий с вогнутой стороны каждого распределительного трубопровода, при условии что торцы распределительных трубопроводов герметично заглушены вертикальными стойками, позволяет изготавливать стандартизованные ряды устройств под конкретные размеры гряды и выращиваемые культуры, позволяет создавать благоприятные условия (объем и высоту) для выращивания культур, обеспечить минимальное гидравлическое сопротивление при распределении воды по устройству за счет выполнения боковых распределительных трубопроводов в виде полуокружностей и осуществлять орошение гряды с минимальными непроизводительными потерями воды, поскольку вода не будет поступать между грядами внутри вертикальных стоек (они герметично отделены от внутренней полости боковых труб), что снижает энергозатраты на орошение;
- установка резервуара для воды на высоте, равной или большей полной высоты устройства, позволяет обеспечить орошение гряды без насоса, только за счет статического напора. При этом выбор параметров бака (его объема), а также выбор минимального уровня воды для срабатывания регулятора уровня, выше уровня суточного полива, гарантированно обеспечивает постоянство температуры воды в процессе цикла орошения без подмешивания в бак холодной воды из напорного трубопровода, т.е. заполнение бака начинается только после окончания полива. Это позволяет выдержать постоянную температуру теплой воды в процессе суточного полива, что обеспечивает повышение урожайности зеленых культур, и исключить заболевания растений, вызываемые использованием холодной воды;
- электрическая связь суточного таймера с соленоидным вентилем на магистрали подачи воды на полив позволяет обеспечивать автоматический полив в наиболее благоприятное для полива время, что также повышает урожайность выращиваемых огородных культур.
Практическую реализацию предложенного устройства рассмотрим на оросительном устройстве для гряды с огородными культурами, представленном на фиг.1, где цифрами обозначены:
1 - резервуар,
2 - регулятор уровня воды с поплавковым электрическим датчиком,
3 - напорная магистраль,
4 - нормально закрытый (НЗ) соленоидный вентиль напорной магистрали,
5 - магистраль подачи воды на полив,
6 - нормально закрытый (НЗ) соленоидный вентиль магистрали подачи воды,
7 - продольный коллектор,
8 - боковые каркасные водораспределительные трубопроводы,
9 - вертикальные съемные стойки,
10 - отверстия для орошения,
11 - съемная светопрозрачная оболочка,
12 - суточный таймер,
13 - понижающий трансформатор(220/24V).
Резервуар 1 установлен рядом с грядой выращивания огородных культур. Внутри резервуара 1 находится регулятор уровня 2 с поплавковым электрическим датчиком.
К резервуару подключена напорная магистраль 3 с (НЗ) соленоидным вентилем 4. Нормально закрытый соленоидный вентиль в обесточенном состоянии находится в закрытом положении, а при подаче напряжения питания на его соленоидную катушку, она втягивает сердечник и открывает проходное сечение трубопровода. К нижней части резервуара 1 подключена магистраль подачи воды на полив 5 с (НЗ) соленоидным вентилем 6, после которого эта магистраль соединена с продольным коллектором 7, длина которого равна длине гряды. Продольный коллектор 7 гидравлически объединен (фиг.1а) с боковыми каркасными распределительными трубопроводами 8, выполненными в виде полуокружностей. Торцы этих боковых каркасных распределительных трубопроводов 8 герметично заглушены вертикальными съемными стойками 9, закрепленными в землю по краю гряды (фиг.1в), а с внутренней вогнутой стороны этих трубопроводов сделаны отверстия для орошения 10, через которые вода поступает на гряды. Снаружи на продольный коллектор 7 и боковые каркасные трубопроводы 8 положена съемная оболочка 11 из мягкого светопрозрачного материала.
Высота расположения сливного трубопровода 5 водяного бака выбирается не ниже полной высоты Н каркасной конструкции устройства. Объем резервуара 1 выбирается из условия, что его объем заведомо больше объема воды, требуемой для одноразового суточного полива. Регулятор уровня 2 закрепляется на стенке внутри резервуара 1, а поплавковый датчик с электрическими контактами всегда находится на поверхности воды (фиг.1б).
Электрическая схема оросительного устройства, изображенная на фиг.2, включает в себя суточный таймер 12 и понижающий трансформатор 13, установленные в шкафу управления оросительного устройства. Таймер имеет контактную группу с перекидным и двумя исполнительными контактами, один из которых электрически связан с соленоидным вентилем 6 магистрали подачи воды на полив 5, а второй выход с контактами поплавкового регулятора уровня 2. Соленоидный вентиль 4 в напорной магистрали 3 электрически связан с контактами датчика поплавкового регулятора уровня 2.
Электропитание таймера 12, находящегося в шкафу управления, осуществляется стандартным напряжением 220 В, электрическое питание остальных элементов электрической схемы устройства орошения (поплавковый регулятор 2, соленоидные вентили 4 и 6), осуществляется безопасным для человека напряжением 24 В через понижающий трансформатор 13.
Работает устройство следующим образом.
Рассмотрим огуречную гряду размером 10 м×1 м. Опытным путем или по агротехническим рекомендациям определили, что для суточного полива гряды нужно 150 литров (10 л на 1 м2). С запасом выбираем объем резервуара 200 литров. При этом настраиваем регулятор уровня 2 таким образом, чтобы его электрические контакты срабатывали (подавая напряжение питания на соленоидный вентиль 4) при уровне воды в резервуаре, превышающем уровень воды, остающейся в баке после суточного полива, например, на уровень, соответствующий 100 литрам. Таким образом, при нахождении поплавкового датчика регулятора уровня 2 в верхнем положении (максимальный уровень воды в баке) контакты датчика регулятора уровня 2 разомкнуты. При этом напряжение питания с соленоидного вентиля напорной магистрали 4 снято и он находится в закрытом положении. При понижении уровня воды в баке 1 до уровня 100 л (меньше суточной нормы полива) контакты поплавкового датчика регулятора уровня, замыкаются, готовя электрическую цепь подачи напряжения питания на соленоидный вентиль напорной магистрали 4. Однако напряжение питания на этот вентиль 4 подается только при дополнительном условии - замыкании контактов таймера 12 после окончания полива.
После сборки оросительного устройства и его электросхемы на него подают напряжение питания. Вначале работы резервуар 1 пустой и поплавковый датчик регулятора уровня 2 находится в нижнем положении. В этом случае контакты поплавкового датчика замкнуты (показано на электрической схеме фиг.2). При этом напряжение питания подается на соленоидный вентиль 4 напорной магистрали 3. Он открывается и вода из напорной магистрали 3 начинает поступать в резервуар. По мере заполнения резервуара поплавковый датчик регулятора уровня поднимается с уровнем воды, и при достижении своего максимального уровня электрические контакты регулятора уровня 2 размыкаются, питание с соленоидного вентиля 4 снимается. Он при этом закрывается, прерывая подачу воды в резервуар 1.
После этого настраивают суточный таймер 12 на начало полива, например на 17.00 ч, и окончание полива, например на 17.15 ч. Это означает, что каждые сутки в 17.00 таймер будет автоматически подавать напряжение питания 24 В на соленоидный вентиль 6 на трубопроводе подачи воды на полив и в 17.15 ч снимать напряжение этого соленоидного вентиля. При открытии соленоидного вентиля 6, нагретая за день вода поступает из резервуара 1 в коллектор 7 данного устройства. Из коллектора 7 она равномерно распределяется по каркасным распределительным трубопроводам 8, из которых через отверстия 10, расположенные с внутренней стороны этих трубопроводов, вода поступает на гряды. По окончании времени полива (в нашем случае 17.15) перекидной контакт таймера 12 снимает напряжение с первого исполнительного контакта и переключает подачу напряжения на второй исполнительный контакт группы. При таком положении контактной группы таймер 12 снимает напряжение питания с соленоидного вентиля 6 на магистрали подачи воды, в результате он закрывается и подает напряжение питания на соленоидный вентиль 4, открывая его. При этом вода из напорной магистрали 3 поступает в резервуар.
Резервуар 1 заполняется новой порцией холодной воды и при достижении максимального уровня поплавковый датчик регулятора уровня 2 снимает напряжение питания с соленоидного вентиля 4. Таким образом устройство автоматически вернулось в исходное состояние и на следующие сутки в 17.00 цикл повторится.
Таким образом, осуществляется автоматический полив огородных культур теплой водой без участия человека, что очень важно для владельцев садовых и дачных участков, приезжающих только па выходные. При этом реализуется напорная, но безнасосная система полива - тем самым снижается стоимость устройства и энергозатраты при выращивании этих культур. Теплая вода обеспечивается за счет нагрева бака лучистым теплом Солнца и конвективным способом от воздуха окружающей среды. Это существенно экономит энергозатраты на полив.
Предложенное устройство позволяет выполнить поставленную цель - удешевить устройство за счет совмещения каркасных силовых конструкций с распределительными трубопроводами системы орошения, отказа от распылительных форсунок за счет размещения отверстий для орошения в несущих конструкциях боковых стоек.
Кроме того взаимосвязь геометрии сборно-разборной конструкции с размерами огородной гряды и размером выращиваемых культур позволяет также оптимизировать размеры устройства под конкретный случай применения, что позволяет избежать лишних затрат при изготовлении таких конструкций. Установка резервуара на уровне или выше полной высоты устройства позволяет орошать гряды без затрат на привод электронасоса, только за счет статического напора в баке, а выбор объема резервуара и выбор минимального уровня воды для срабатывания регулятора выше уровня суточного полива обеспечивает постоянную температуру полива в процессе орошения, что обеспечивает повышение урожайности орошаемых культур, при этом обеспечивается автоматических полив огородных культур теплой водой в наиболее благоприятное для полива время. Это снижает трудозатраты при выращивании урожая.
В настоящее время в рамках малого предприятия проходит разработка конструкторской и технологической документации для мелкосерийного производства данного устройства. Летом 2011 года опытные образцы устройства будут практически использованы при выращивании огородных культур на одном из фермерских хозяйств в Ярославской области. При использовании пропиленовых труб и соединительных устройств из этого материала, полимерного бака, а также специальной оснастки для удешевления высверливания отверстий с внутренней стороны изогнутых труб, при использовании российских комплектующих стоимость устройства получается доступной для широкого круга дачников и владельцев приусадебных участков, а также небольших фермерских хозяйств.