СИСТЕМА ПОДГОТОВКИ ВОДЫ ДЛЯ КАПЕЛЬНОГО ПОЛИВА С ДЕЗИНФЕКЦИЕЙ ДРЕНАЖА (ВАРИАНТЫ)
SYSTEM OF PREPARING WATER FOR DRIP IRRIGATION WITH DISINFECTION OF DRAINAGE (VERSIONS)

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к орошаемому земледелию с системами капельного полива, и может быть использовано в тепличных хозяйствах.
Фильтрация воды в системах капельного полива получила очень широкое распространение. Она необходима при подготовке воды к поливу для предотвращения засорения капельниц, а также для обеспечения бесперебойной и длительной работы инженерного оборудования.
Известна система подготовки воды для капельного орошения, содержащая насосную станцию, песчаный фильтр с верхней и нижней дренажными трубами, гидроциклон, соединенный с верхней дренажной трубой, фильтр тонкой очистки, соединенный с нижней дренажной трубой, емкость для подготовки питательного раствора, соединенная с выходом гидроциклона (RU 2229217, опуб. 20.02.2004).
В современных тепличных хозяйствах все более востребованным становится повторное использование дренажа для полива. Известная система не позволяет решать эту задачу.
Задачей изобретения является создание системы комплексной подготовки воды для капельного полива, обеспечивающей обеззараживание дренажных растворов, работающей в автоматическом режиме и одновременно обеспечивающей уменьшение количества бикарбонатов в воде, а также в частных случаях обеспечивающей предварительную фильтрацию дренажа от взвесей и подогрев воды, полученной из скважины.
Поставленная задача решается системой подготовки воды для капельного полива по первому варианту, содержащей подсистему фильтрации воды, подсистему дезинфекции дренажа с баком для грязного дренажа на входе и баком для чистого дренажа на выходе, подсистему подкисления и циркуляции воды с баком для технической воды в циркуляционном контуре, который выполнен с возможностью соединения с источником воды, подсистему смешения дренажа и воды и контроллер управления, один вход подсистемы смешения дренажа и воды соединен с баком для чистого дренажа, а другой вход - с трубопроводом отвода фильтрованной воды, а выход является выходом системы, вход подсистемы фильтрации воды соединен с баком для технической воды, а каждый из указанных баков снабжен датчиками уровня, соединенными с контроллером с возможностью управления работой насосов и клапанов подсистем по сигналам, полученным от датчиков уровня.
При использовании воды из скважины система может быть снабжена подсистемой подогрева воды, вход которой соединен с выходом подсистемы фильтрации воды, а выход - с трубопроводом отвода фильтрованной воды.
При использовании дренажа, содержащего взвесь, система может быть снабжена подсистемой фильтрации дренажа с баком для грязного нефильтрованного дренажа на входе, выход которой соединен с указанным баком для грязного дренажа, который является баком для грязного фильтрованного дренажа.
Поставленная задача также решается системой подготовки воды для капельного полива по второму варианту, содержащей подсистему фильтрации воды, подсистему дезинфекции дренажа с баком для грязного дренажа на входе и баком для чистого дренажа на выходе, подсистему подкисления и циркуляции воды с баком для технической воды в циркуляционном контуре, подсистему смешения дренажа и воды и контроллер управления, один вход подсистемы смешения дренажа и воды соединен с баком для чистого дренажа, другой вход - с баком технической воды, а выход соединен с входом подсистемы фильтрации воды, а каждый из указанных баков снабжен датчиками уровня, соединенными с контроллером с возможностью управления работой насосов и клапанов подсистем по сигналам, полученным от датчиков уровня.
При использовании воды из скважины система может быть снабжена подсистемой подогрева воды, вход которой соединен с выходом подсистемы фильтрации воды, а выход является выходом системы.
При использовании дренажа, содержащего взвесь, система может быть снабжена подсистемой фильтрации дренажа с баком для грязного нефильтрованного дренажа на входе, выход которой соединен с указанным баком для грязного дренажа, который является баком для грязного фильтрованного дренажа.
Поставленная задача также решается системой подготовки воды для капельного полива по третьему варианту, содержащей подсистему фильтрации воды, вход которой предназначен для соединения с источником воды, подсистему дезинфекции дренажа с баком для грязного дренажа на входе и баком для чистого дренажа на выходе, подсистему подкисления и циркуляции воды с баком для технической воды в циркуляционном контуре, подсистему смешения дренажа и воды и контроллер управления, один вход подсистемы смешения дренажа и воды соединен с баком для чистого дренажа, другой вход - с баком технической воды, а выход является выходом системы, а каждый из указанных баков снабжен датчиками уровня, соединенными с контроллером с возможностью управления работой насосов и клапанов подсистем по сигналам, полученным от датчиков уровня.
При использовании воды из скважины система может быть снабжена подсистемой подогрева воды, вход которой соединен с выходом подсистемы фильтрации воды, а выход - с циркуляционным контуром подсистемы подкисления и циркуляции воды.
При использовании дренажа, содержащего взвесь, система может быть снабжена подсистемой фильтрации дренажа с баком для грязного нефильтрованного дренажа на входе, выход которой соединен с указанным баком для грязного дренажа, который является баком для грязного фильтрованного дренажа.
Повторное использование дренажа для полива требует проведения его предварительной дезинфекции. Дезинфекция может осуществляться термической обработкой или воздействием ультрафиолетовым (УФ) излучением. Если дренаж содержит взвеси, перед его дезинфекцией требуется предварительная фильтрация дренажного раствора.
Практически каждый агроном сталкивался с проблемой изменения рН в процессе полива, когда растворный узел готовит питательный раствор в соответствии с заданной кислотностью, а к капельнице приходит раствор с уровнем рН выше заданного на 0,5-1,0. Такая проблема возникает из-за содержащихся в воде бикарбонатов. Их негативный эффект заключается в нейтрализации кислоты во время движения по трубам, отчего и возникает изменение рН приходящего к капельнице раствора. В предложенной системе подсистема подкисления и циркуляции воды включает бак для технической воды, в котором происходят процессы ионообмена, и бикарбонаты, нейтрализуя добавленные кислоты, уменьшаются в количестве. И в тот момент, когда насос подсистемы фильтрации воды начинает качать воду из этого бака, она уже является пригодной для полива, и изменение рН в ней далее происходить не будет.
Источником поливной воды часто являются скважины, имеющие температуру 3-7 градусов выше нуля. Требования к температуре воды для полива варьируются от 18 до 25 градусов в зависимости от выращиваемой культуры и фазы роста растений. Поэтому в системах автоматического полива почти всегда используется подсистема подогрева воды.
Помимо этого поливная вода нуждается в периодической рециркуляции, используя которую совместно с подкислением, а часто и с подогревом, можно добиться максимального качества повышения воды.
Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображено следующее.
На фиг.1 показана схема предложенной системы подготовки воды по первому варианту.
На фиг.2 показана схема подсистемы фильтрации воды.
На фиг.3 показана схема подсистемы фильтрации дренажа.
На фиг.4 показан фрагмент предложенной системы подготовки воды по второму варианту.
На фиг.5 показана схема подсистемы дезинфекции дренажа.
На фиг.6 показан фрагмент предложенной системы подготовки воды по третьему варианту.
На фиг.7 показана схема подсистемы подкисления и циркуляции для работы в режиме подкисления в магистрали.
На фиг.8 показана схема подсистемы подкисления и циркуляции для работы в режиме подкисления в магистрали.
На фиг.9 показаны пример бака системы с датчиками уровня.
На фиг.10 показаны схемы работы реле, управляющих заполнением баков.
Система подготовки воды для капельного полива по каждому из трех вариантов содержит подсистему 1 фильтрации воды, подсистему 2 дезинфекции дренажа с баком 3 для грязного дренажа на входе и баком 4 для чистого дренажа на выходе, подсистему 5 подкисления и циркуляции воды с баком 6 для технической воды в циркуляционном контуре, подсистему 7 смешения дренажа и воды. При использовании воды из скважины система может быть снабжена подсистемой 8 подогрева воды, вход которой соединен с выходом подсистемы 1 фильтрации воды. При использовании дренажа, содержащего взвесь, система может быть снабжена подсистемой 9 фильтрации дренажа с баком 10 для грязного нефильтрованного дренажа на входе (фиг.3), выход которой соединен с баком 3 для грязного дренажа, который является в данном случае баком для грязного фильтрованного дренажа.
Каждый из указанных баков 3, 4, 6, 10 снабжен датчиками 11, 12, 13, 14 уровня (фиг.7), соединенными с контроллером (не показан) с возможностью управления работой насосов и клапанов подсистем по сигналам, полученным от датчиков уровня.
Варианты системы отличаются друг от друга местом размещения подсистемы 7 смешения воды и дренажа, местом подвода воды от внешнего источника и местом выхода системы - местом отвода воды для полива.
В системе по первому варианту (фиг.1) один вход подсистемы 7 смешения дренажа и воды соединен с баком 4 для чистого дренажа, а другой вход - с трубопроводом отвода фильтрованной воды, а выход подсистемы 7 является выходом системы, соединенным с капельницей. Вход подсистемы 1 фильтрации воды соединен с баком 6 для технической воды. Источник воды соединяется с циркуляционным контуром подсистемы 5 подкисления и циркуляции воды. При наличии на выходе из подсистемы 1 фильтрации воды подсистемы 8 подогрева воды вода из подсистемы 8 подается в подсистему 7 смешения воды и дренажа через трубопровод отвода фильтрованной воды. При ее отсутствии вода на смешение подается непосредственно из подсистемы 1 фильтрации воды.
В системе по второму варианту (фиг.4) подсистема 7 смешения дренажа и воды расположена перед входом в подсистему 1 фильтрации воды. При этом один вход подсистемы 7 смешения дренажа и воды соединен с баком для чистого дренажа, другой вход - с баком технической воды, а выход соединен с входом подсистемы 1 фильтрации воды. При наличии на выходе из подсистемы 1 фильтрации воды подсистемы 8 подогрева воды выход подсистемы 8 является выходом системы, соединенным с капельницей для полива или с накопительным баком. При ее отсутствии выходом из системы является выход подсистемы 1 фильтрации воды.
В системе по третьему варианту (фиг.6) подсистема 7 смешения дренажа и воды подсоединена так же, как в первом варианте, к баку 4 для чистого дренажа и к баку 6 для технической воды, а выход подсистемы 7 соединен с капельницей для полива или с накопительным баком. При этом источник воды подсоединяется к входу (насосу) подсистемы 1 фильтрации воды.
Подсистема 1 фильтрации воды включает (фиг.2) последовательно соединенные насос 15 фильтра на входе, клапан 16 фильтра, песчано-гравийный фильтр 17 (ПГФ), фильтр 18 тонкой очистки (ФТО) и клапан 19 фильтра на выходе. С выходом ПГФ 17 через клапан 20 промывки соединен насос 21 промывки. С входом ПГФ 17 соединен клапан 22 промывки, через который осуществляется слив.
ПГФ 17 очищает воду от примесей и взвесей, с которыми не могут справиться сетчатые или пластинчатые фильтры тонкой очистки. Промывка ПГФ 17 осуществляется в автоматическом режиме. В качестве критериев для начала промывки могут использоваться объем прокачанной воды или время работы ПГФ 17.
Дополнительную очистку воды обеспечивает ФТО 18 (130 микрон). Пластинчатый ФТО 18 обеспечивает механическую очистку растворов от фракций более 130 мкм. Фильтрующие элементы легко промываются и имеют практически неограниченный срок службы.
Подсистема 9 фильтрации дренажа включает (фиг.3) последовательно соединенные насос 23 фильтра, клапан 24 фильтра, ФПГ 25, ФТО 26 и клапан 27 заполнения бака 3 грязного фильтрованного дренажа. Насос промывки отсутствует. Для промывки ФПГ 25 используется насос 23 фильтра. Для этого выход насоса 23 фильтра через клапан 28 промывки соединен с выходом ФПГ 25, а вход ФПГ 27 соединен с клапаном 29 для слива.
Такая же схема без насоса промывки может использоваться для подсистемы 1 фильтрации воды, например, в схеме системы по второму варианту (фиг.4).
Подсистема 2 дезинфекции дренажа изображена на фиг.5. Принцип ее работы заключается в пропускании через дренаж ультрафиолетового излучения, вырабатываемого специальными лампами. УФ-излучение с длиной волны 253,7 нм прекращает процесс воспроизводства микроорганизмов в дренажном растворе. Подсистема включает бак 3 для грязного дренажа и последовательно соединенные с ним через кран 30 насос 31, пластинчатый ФТО 32, клапан 33, камеры 34 обеззараживания и кран 35, соединенный с баком 4 для чистого дренажа. Перед краном 35 подсоединен кран 36 для слива в канализацию. Трубопровод между ФТО 32 и клапаном 33 соединен с эжектором 37, подключенным через клапан 38 к емкости 39 с кислотой. Выход эжектора 37 через кран 40 соединен с баком 3 для грязного дренажа. Таким образом образован циркуляционный контур для подкисления дренажа. К входу и выходу эжектора 37 подключены датчики 41 рН. Трубопровод между краном 30 и насосом 31 через кран 42 подсоединен к емкости 43 промывки.
Подсистема 2 содержит батарею ламп 44 УФ излучения. Каждая лампа 44 установлена в специальную колбу из кварцевого стекла. Колбы через быстроразъемные соединения установлены в камерах 34 обеззараживания, выполненных из нержавеющей стали. Диаметры камер 34 выбраны таким образом, чтобы с одной стороны обеспечить максимальную производительность, а с другой - получить толщину слоя воды, омывающего колбу с лампой, достаточно тонким для проникновения УФ лучей.
В процессе работы мощность излучения УФ лампы 44 измеряется датчиком (на чертеже не показан), установленным внутри камеры 34. На основании его показаний компьютерная система автоматически вычисляет время облучения, которое необходимо для получения раствором заданной дозы УФ излучения. По вычисленному времени облучения с учетом объема камеры 34 обеззараживания и числа ламп рассчитывается оптимальная производительность дезинфекции. Встроенный расходомер 45 регистрирует реальную производительность подсистемы 2 дезинфекции и в случае ее отличия от рассчитанной компьютерная система управляет частотным преобразователем насоса 31 до установки требуемой производительности.
При включении насоса 31 производится постоянное измерение кислотности (рН) проходящего раствора. При высоких значениях рН раствора эжектор 37 подает в дренаж кислоту для поддержания рН раствора на заданном уровне. Это позволяет сохранить стабильность дренажного раствора, а также препятствует отложению осадка на лампах 44.
Подсистема 5 подкисления и циркуляции может работать в двух режимах: подкисление в магистрали и подкисление в баке 4 для технической воды. Схема подкисления в магистрали включает (фиг.7) эжектор 46, соединенный через кран 47 с емкостью 48 с кислотой. Выход эжектора 46 соединен с миксером 49 (емкость смешения), который соединен через насос 50 с магистралью - трубопроводом 51 подачи воды в бак 6 для технической воды. Этот же трубопровод 51 соединен с миксером 49 через гидравлический поплавковый клапан 52 заполнения миксера. На входе и выходе эжектора 46 установлены датчики 53 рН.
Вода из трубопровода, соединенного с источником воды (по первому и второму вариантам) или с подсистемой 8 подогрева (по третьему варианту) через гидравлический клапан 52, управляемый поплавком, поступает в емкость смешения - миксер 49. Включают насос 50, и он подает жидкость из миксера 49 в магистральный трубопровод 51. Она проходит последовательно через два датчика 53 рН. Часть жидкости с выхода насоса 50 поступает в эжектор 46 (эжекционный насос). Эжектор 46 через отсекающий кран 47 забирает кислоту из емкости 48 и подает ее в миксер 49. Если измеренное значение рН выше заданного, то кран 47 импульсно открывается. Длительность открывающих кран 47 импульсов регулируется контроллером управления (не показан).
Использование обратной связи в контуре регулирования обеспечивает точное поддержание рН воды. При желании можно установить для каждого датчика 53 рН индивидуальный диапазон допустимого отклонения измеренного значения от заданного.
Схема подкисления в баке 3 для технической воды (фиг.8) не имеет емкости смешения. Насос 54 и бак 3 для технической воды соединены трубопроводами напрямую с образованием циркуляционного контура. Эжектор 55, соединенный через клапан 56 с емкостью 57 с кислотой и соединенный на входе и выходе с датчиками 58 рН, установлен параллельно магистральному трубопроводу 59, соединяющему выход насоса 54 с баком 3.
Подсистема 8 подогрева (фиг.4) включает на входе насос (который может отсутствовать, как это показано на фиг.4), пластинчатый теплообменник 60, трехходовой смесительный клапан 61, один вход которого соединен с теплообменником, второй вход - напрямую с входом подсистемы 8 (или с выходом насоса), а на выходе установлен датчик 62 температуры воды. На входе подачи теплоносителя в теплообменник 60 установлена задвижка 63. Управление температурой осуществляется с помощью трехходового смесительного клапана 61. Задвижка 63 на стороне тепломагистрали закрывается при окончании потребления воды.
Насоса на входе подсистемы 8 может и не быть, и его функция при этом может выполняться подающим насосом другой подсистемы.
Для пуска подсистемы 8 подогрева необходимо соблюдение двух условий: наличие воды на входе в подсистему 8 подогрева (включен насос, подающий воду на вход подсистемы 8) и есть необходимость в наличии подогретой воды.
Подсистема 7 смешения дренажа и воды включает две линии, одна из которых соединяется с баком 4 чистого дренажа, а другая - с выходом подсистемы 8 подогрева (первый вариант, фиг.1) или с баком 6 технической воды (второй и третий вариант, фиг 4 и 6). На линиях установлены регулируемые вентили 64 и 65 соответственно дренажа и вода (фиг.4). Обе линии соединены с выходной линией, на которой установлен датчик ЕС (электропроводимости раствора, позволяющий количественно оценивать наличие удобрений в нем). Выходная линия должна быть соединена с насосом, например насосом подсистемы 1 фильтрации воды (фиг.4). В другом варианте на каждой из линий может быть установлен насос и клапан.
При работе подсистемы 7 смешения включение регулирующих вентилей 64 и 65 и процент их открытия определяется и регулируется контроллером в зависимости от наличия воды в баках или на выходе подсистемы, подключенных к линиям подсистемы 7.
Программные возможности контроллера позволяют управлять всеми подсистемами в автоматическом режиме. Запуск того или иного устройства зависит от уровня заполнения баков или от внешних управляющих сигналов.
Управление подсистемами осуществляется контроллером автоматически по показаниям датчиков 11-14 уровня, установленных на каждом баке. На фиг.9 показан бак (любой из баков 3, 4, 6, 10), на котором установлены четыре датчика на четырех уровнях: датчик 11 - верхний уровень, датчик 12 - верхний контрольный уровень, датчик 13 - нижний контрольный уровень, датчик 14 - нижний уровень. Каждый бак имеет два реле состояния заполнения: реле «Бак не полный» и реле «Бак не пустой». Управление подсистемам построено на том, что запуск насосов происходит по двум условиям, объединенным по логическому И, ИЛИ:
1. Наличие на входе подсистемы воды (дренажа).
2. Есть потребность в воде (дренаже) на выходе подсистемы. При выполнении обоих условий (И) или одного из двух (ИЛИ) происходит запуск основного насоса подсистемы (в подсистеме 1 фильтрации воды - насос 15, в подсистеме 9 фильтрации дренажа - насос 23, в подсистеме 5 подкисления и циркуляции - насос 50 или 54, в подсистеме 2 дезинфекции дренажа - насос 31). Пуском остальных механизмов каждой подсистемы является состояние запуска основного насоса данной подсистемы.
В зависимости от текущего состояния каждого бака и установленных в параметрах управления контроллера контрольных уровней для этого бака контроллер изменяет состояние каждого из реле состояния заполнения. Алгоритм изменения состояния реле представлен на фиг.10. Реле «Бак N не пустой» включено, когда данный бак заполнен выше нижнего контрольного уровня, и будет в таком состоянии до спада к нижнему уровню. Реле «Бак N не полный» включено, когда данный бак заполнен ниже верхнего контрольного уровня, и будет в таком состоянии до заполнения до верхнего уровня.
Несколько контроллеров могут объединяться в сеть и подключаться к персональному компьютеру и дистанционно контролировать процессы дезинфекции, циркуляции, подкисления, подогрева воды и смешения дренажа с водой.