Результат интеллектуальной деятельности: Способ орошения многолетних насаждений минерализованной водой и устройство для его осуществления

Предлагаемое изобретение относится к области сельского хозяйства и найдет применение при использовании минерализованных вод для орошения многолетних насаждений на территориях, примыкающих к водоисточникам с повышенным содержанием солей, включая участки морского побережья.

Известен способ орошения минерализованной водой, включающий формирование перед севом водораспределительных элементов, разделенных валиками. В верхней части этих валиков устраивают борозды, заполненные поглощающим материалом, накапливающим во время полива соли, а после уборки урожая производят вспашку с оборотом пласта, перемещая эти соли на глубину вспашки (Патент РФ №2284687, МПК A01G 25/00, опубл. 10.10.2006 г. бюл. №28).

Недостатком этого способа является постепенное накопление соли в почвенном слое.

Известен способ регулирования минерализации оросительной воды при капельном орошении и устройство для его осуществления, включающий непрерывное смешивание минерализованной воды с дистиллированной и последующей ее подачей через капельницы к растениям. Дистиллированную воду получают опреснением части минерализованной воды в солнечном опреснителе (Патент РФ №2483528, МКИ A01G 25/02, опубл. 10.06.2013 г. бюл. №16).

Недостатками этого способа и устройства для его осуществления являются низкая эффективность опреснения в связи с тем, что солнечные лучи перед попаданием в зону испарения проходят через слой минерализованной воды, пропускаемой между верхними светопроницаемыми слоями. Поскольку минерализованная вода забирается из открытых водоисточников, то она содержит взвешенные частицы илистой фракции, которые поглощают часть энергии солнечных лучей и нагревают воду. Соответственно, будет нагреваться и конденсирующая пары воды поверхность, что снизит интенсивность образования дистиллята. Кроме того, при капельном орошении даже разбавленной минерализованной водой происходит накопление солей по контуру увлажняемой зоны. При орошении многолетних насаждений это приведет к очаговому засолению прикорневой зоны растения. При капельном орошении как во время полива, так и после его окончания, значительная часть воды испаряется с поверхности увлажненной площади. Кроме того, в предложенном способе и устройстве не решена проблема удаления и утилизации рассола, образующегося в результате выпаривания минерализованной воды.

Известна ирригационная система (пат. US №9301442 В1), в которой способ опреснения минерализованной воды осуществляют ее нагреванием в испарителе с помощью солнечной энергии, а для снижения температуры кипения воды используют вакуум, для чего воздух отсасывают из испарителя. Затем пары воды по трубопроводу подают к шарообразным головкам водовыпусков, в которых происходит конденсация паров в капельную влагу, орошающую растения.

Недостатками системы и реализуемого ею способа являются ограниченность площади увлажнения точечными водовыпусками и неравномерность поступления пара в водовыпуски по мере их удаленности от испарительной камеры.

Устранить указанные недостатки позволяет способ орошения многолетних насаждений минерализованной водой, включающий опреснение воды с использованием солнечной энергии, в котором согласно изобретению, парами воды насыщают предварительно нагретый до 60-70°С воздух, который затем отводят к орошаемому участку, где его охлаждают в зоне расположения корней растений на глубине 0,4-0,6 м с осаждением конденсированной опресненной влаги.

Реализовать предлагаемый способ позволяет предлагаемое устройство, включающее насос для подачи минерализованной воды, солнечный нагреватель, испарительную камеру, сообщенную с трубопроводом для подвода опресненной воды к корневой системе растений, в котором, согласно предполагаемому изобретению, в испарительной камере размещены фитили из гидрофильного материала, а снаружи смонтирован воздушный солнечный коллектор, оборудованный воздухозаборным клапаном и сообщенный с испарительной камерой, при этом испарительная камера соединена воздуховодом с головной частью перфорированного трубопровода, покрытого слоем гигроскопичного материала и снабженного воздуховытяжным устройством в концевой его части. Кроме того, воздухозаборный клапан солнечного коллектора снабжен регулятором забора воздуха в виде биметаллической пластины, воздуховытяжное устройство оборудовано камерой, перегороженной экраном из мембранной пленки и вытяжным вентилятором, а труба воздуховода помещена в термоизолирующий кожух.

Новый положительный результат от применения предложенного способа орошения минерализованной водой с использованием устройства для его осуществления состоит в том, что нагревание воздуха в солнечном коллекторе до 60-70°С увеличить его влагоемкость, а подача нагретого воздуха между фитилями испарительной камеры обеспечивает насыщение его влагой. При контакте насыщенного влагой воздуха со стенками перфорированной трубы, проложенной в почве в зоне расположения корней растений на глубине 0,4-0,6 м и имеющей более низкую температуру, происходит конденсация паров с образованием опресненной воды. Эта вода накапливается гигроскопичным материалом в доступной для корней растений форме. Таким образом обеспечивается внутрипочвенное орошение растений опресненной водой без накопления солей в почве и с минимальными потерями воды на испарение.

Сущность предложения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен общий вид устройства; на фиг. 2 - перфорированный трубопровод в разрезе, на фиг. 3 - испарительная камера в разрезе; на фиг. 4 - воздуховытяжное устройство в разрезе, на фиг. 5 - воздухозаборный клапан в разрезе.

Устройство для осуществления предлагаемого способа включает насос 1, размещенный на берегу водоисточника с минерализованной водой, подающий воду по трубопроводу 2 в трубопровод 3, из которого она поступает в испаритель 4. К испарителю 4 подключен солнечный воздушный коллектор 5. Испаритель 4 связан трубопроводом 6, заключенным в теплозащитный кожух 7, с перфорированным трубопроводом 8. Этот трубопровод уложен в почву на глубине 0,4-0,6 м и снабжен слоем гигроскопичного материала 9. Концевой участок трубопровода 8 оборудован воздуховытяжным устройством 10, включающим камеру 11 с экраном 12, вытяжной вентилятор 13 и коленчатый патрубок с флюгером 14, установленный на подшипнике 15. Солнечный воздушный коллектор 5 снабжен выпускным патрубком 17, выведенным внутрь испарителя 4, и воздухозаборным патрубком 18 с клапаном 19, оборудованным регулятором забора воздуха в виде биметаллической пластины 20. Воздухозаборный патрубок 18 снабжен отверстием 21. Внутри испарителя 4 размещены фитили 22 из гидрофильного материала. На выходе отводной трубы 3 установлен поплавковый клапан 23, обеспечивающий постоянный уровень 24 заполнения испарителя 4 минерализованной водой. В камере 11 установлен экран 12 из мембранной пленки, состоящей из двух слоев - конденсирующего пары воды слоя 25 и воздухопроницаемого слоя 26.

Реализация способа орошения многолетних насаждений минерализованной водой с помощью предложенного устройства осуществляется следующим образом:

Насосом 1 воду забирают из водоисточника. В качестве водоисточника может служить море, озеро с соленой водой, пруд - накопитель дренажных минерализованных вод или реки с повышенной минерализацией воды. Из водоисточника минерализованная вода по трубопроводу 2 и через трубопровод 3 поступает в испаритель 4. Поплавковый клапан 23 после достижения водой уровня 24 перекрывает ее подачу. Одновременно воздух при закрытом клапане 19 через отверстие 21 в воздухозаборном патрубке 18 поступает в солнечный воздушный коллектор 5. При нагревании солнцем поверхности коллектора 5 нагревается и биметаллическая пластина 20. Изгибаясь, она открывает клапан 19. Чем сильнее нагревается поверхность коллектора, тем больше открывается клапан 19. Нагретый до 60-70°С воздух поступает через патрубок 17 внутрь испарителя 4, здесь он проходит между фитилями 22, концы которых погружены в минерализованную воду. Влажность поступившего воздуха при этом резко возрастает. Увлажненный воздух под действием разряжения, создаваемого воздуховытяжным устройством 10, поступает по трубопроводу 6 в перфорированный трубопровод 8. При этом термоизоляционный кожух 7 предотвращает охлаждение воздуха в процессе движения по трубопроводу 6. В трубопроводе 8 влажный воздух соприкасается с его стенками и охлаждается ниже точки росы, при этом образуется конденсированная пресная влага. Глубина закладки 0,4-0,6 м принята в связи с тем, что на этой глубине летняя температура почвы сохраняется на постоянном уровне, не более 20°С. В этом слое почвы находится основная масса поглощающих корней многолетних растений. Причем при подпочвенной подаче воды увлажнение происходит путем передвижения влаги по капиллярам при заполненных воздухом некапиллярных порах, что обеспечивает создание благоприятного водно-воздушного режима. Эффективность процесса конденсации определяется разницей температуры воздуха, поданного из испарителя, и стенок трубопровода 8. Температура трубопровода 8 соответствует температуре почвы, которая ниже температуры воздуха, нагретого в солнечном коллекторе 5. Сконденсированная из воздуха влага впитывается слоем гигроскопичного материала 9, который удерживает ее и обеспечивает капиллярный перенос в пределах зоны распространения корневой системы растений 16. По мере движения по трубопроводу 8 воздух постепенно охлаждается и отдает влагу, поглощенную в испарителе 4. При выходе из трубопровода 8 воздух поступает в камеру 11, где расположен экран 12, выполненный из мембранной пленки «Изоспан». Особенность этого материала состоит в том, что он состоит из двух слоев. Его нижний слой 25 конденсирует пары воды, а верхний слой 26 пропускает воздух. Если температура воздуха при выходе из трубопровода 8 будет превышать температуру в камере 11, то на экране 12 задержится влага, не сконденсированная в трубопроводе. Наклон экрана 12 обеспечивает ее стекание в трубопровод 8. Движение воздуха по трубопроводу 8 обеспечивается воздуховытяжным устройством 10. за счет инжекции, создаваемой ветром, благодаря тому, что флюгер 14 постоянно удерживает коленчатый патрубок на конце воздуховытяжного устройства 10 по ветру, поворачивая его на подшипнике 15. В безветренную погоду, а также при слабом ветре для увеличения скорости движение воздуха в трубопроводе 8 используют вытяжной вентилятор 13. Электроэнергию для двигателя этого вентилятора может вырабатывать солнечный модуль (на рисунке не показан). В жаркие часы дня клапан 19 на воздухозаборном патрубке 18 обеспечивает регулирование поступления воздуха в коллектор 5 в зависимости от степени его нагрева. При снижении температуры коллектора 5 биметаллическая пластина 20 разгибается и снижает подачу воздуха. По мере снижения интенсивности солнечного излучения она может полностью закрыть клапан 19. В этом случае воздух будет поступать в коллектор 5 через отверстие 21. В ночное время, если температура воздуха над полем превысит температуру стенок трубопровода 8, процесс образования конденсата будет продолжаться. При ночной температуре воздуха ниже, чем температура стенок трубопровода 8, подача холодного воздуха обеспечит охлаждение стенок трубопровода 8 и повышение его конденсирующих возможностей на следующий день. Фитили 22 не только обеспечивают увеличение испаряющей поверхности в испарителе 4 в несколько раз по отношению к площади зеркала воды на уровне его заполнения 24, но и аккумулируют на своей поверхности соли. Периодическая замена фитилей позволяет предотвратить образование концентрированного рассола в испарителе. Извлеченные из испарителя 4 фитили 22 освобождают механическим способом от кристаллов соли, промывают в минерализованной воде и используют повторно. При этом соль, собранная с фитилей найдет дальнейшее применение в различных областях народного хозяйства.

Возможность промышленной применимости предложенного способа рассмотрена на примере Крыма, где отмечается острая нужда в пресной оросительной воде при достаточном количестве минерализованных вод и благоприятных климатических условий. Оросительная норма винограда при капельном орошении здесь в зависимости от обеспеченности осадками составляет 600-700 м³/га. Внутрипочвенная подача воды позволит исключить потери влаги на 20-30% за счет предотвращения испарения с поверхности влажного пятна у капельницы. Благодаря этому оросительную норму можно снизить до 400-500 м³/га или до 50 литров на 1 м².

Период времени, в течение которого виноградник может нуждаться в дополнительном орошении, в Крыму составляет порядка 180 дней - с апреля по сентябрь, из них 170 дней солнечные. Наиболее растения нуждаются в увлажнении с июня по сентябрь, когда средняя дневная температура воздуха варьирует от +23°С в июне до +27°С в июле- августе. Ночная температура воздуха в эти месяцы находится в пределах +10-17°С. Средняя температура почвы на глубине 0,5 м не превышает +20°С.

При прокладке одного трубопровода под рядком лоз и расстоянии между рядами 4 м трубопровод длиной 100 м орошает полосу 400 м² и должен подать за сезон 20000 л воды, или порядка 1,0-1,5 литра на 1 м² в сутки. При температуре +25°С и относительной влажности 40% кубометр воздуха будет содержать порядка 90 грамм влаги. После нагревания воздуха в солнечном коллекторе 5 до +60-70°С влагоемкость воздуха увеличится до 200 г/м³. Поступив в испаритель, этот воздух будет насыщаться влагой до относительной влажности 90-95% и будет содержать порядка 180 г/м³ влаги. В перфорированном трубопроводе его температура снизится до +20°С. При этой температуре влагоемкость воздуха составляет 17 г/м³. Таким образом, при понижении температуры воздуха во время движения по трубопроводу 8 из каждого его кубометра может сконденсироваться на стенках трубопровода порядка 160 г конденсата. Для получения 125 литров воды в сутки через трубопровод необходимо пропустить порядка 800 м³ воздуха. Подача подогретого воздуха с высоким содержанием влаги может происходить примерно в течение 10 дневных часов с 10 часов дня до 20 часов вечера. Таким образом, подача воздуха должна составить 80 м³/час. Следует учитывать, что в остальное время суток при температуре воздуха выше +20°С конденсация влаги в трубопроводе также будет происходить, хотя и в меньших количествах. В ночное время при снижении температуры воздуха до +10-17°С в процессе движения по трубопроводу 8 он будет охлаждать стенки трубопровода. После прохождения по трубопроводу воздух поступит в камеру 11, если его температура будет превышать температуру в камере то, проходя через мембранный материал экрана 12, он будет оставлять на нем конденсированную влагу, которая будет стекать в трубопровод 8.

Таким образом, реализация предложенного способа с помощью предлагаемого устройства позволит осуществлять орошение многолетних насаждений опресненной минерализованной водой и исключить при этом накопления солей в почве и потери воды на испарение.