Линейное оборудование для капельного орошения с предварительным насыщением воды кислородом перед впрыском и с возможностью использования этого же принципа при очистке и регенерации линейных трубопроводов теплиц и молочно-товарных ферм



Насыщение и регенерация питательных растворов, применяемых для выращивания растений в тепличных и других хозяйствах, применяющих гидропонные технологии и капельный полив является одним из важнейших факторов роста растений. Наряду с технологическими факторами роста, важно учитывать экономические аспекты целесообразности ведения хозяйства. Один из инновационных примеров оборудования для водоподготовки рассмотрен в настоящей статье.

Ключевые слова: капсулирование, форсунки, капельницы, капельный полив, гидропоника, экономичность, сельскохозяйственное производство

При формировании ирригационных систем, наибольшее значение имеет ценовой фактор, который в современных условиях инновационной экономики и насыщенности рынка всевозможным оборудованием, является в конечном счёте определяющим.

Не последнюю роль в оценке ценового фактора имеет структура и стоимость, а также стоимость эксплуатации и обслуживания специального оборудования для водоподготовки и водоочистки. В конечном счёте эти же факторы влияют и на общую эффективность тепличных хозяйств и на конечную стоимость продукции.

Рис. 1. Модели модуля для водоподготовки и регенерации жидкостей для теплиц

Производительность модулей водоподготовки и регенерации жидкостей для теплиц, представленных на рисунке 1 составляет 2 000 литров в час, причём это значение может быть увеличено за счёт добавки двухсекционных колонн ионнообменной очистки воды или ирригационного раствора.

Как видно из модели в качестве резерва может быть использовано ещё как минимум две колонны, что может увеличить производительность модуля в два раза. То же можно сказать и об увеличении количества электрохимических реакторов в два раза.

Так как капсулирование и смешивание и растворение воздуха и кислорода производятся непосредственно в капельницах или форсунках, модуль освобождается от этих функций и благодаря этому все процессы в самом модуле становятся более эффективными и стабильными.

Для того чтобы максимально упростить рабочую схему модуля, разработан мини-модуль для теплиц малых размеров, трёхмерные модели которого приведены на рисунке 2.

Рис.2. Модуль водоподготовки и регенерации жидкости для теплиц малых размеров

Как видно на рисунке 2, в малом модуле всё максимально упрощено и для его работы используется принцип сообщающихся сосудов, что позволило отказаться от насосов.

Ввиду предельно простого устройства модулей, они могут обслуживаться даже не техническими специалистами, т. е. такой модуль можно установить в совсем небольшую теплицу и получить максимум эффективности.

Такой модуль, несмотря на простоту, мультифункционален и его присутствие на рынке ирригационного оборудования может в корне изменить ситуацию и существенно поднять уровень эффективности и в относительно небольших тепличных хозяйствах.

Что очень важно — в конструкции этих модулей могут применяться и электрохимические реакторы разных видов и назначений, и вводные колонны как с различными типами наполнителей, так и без них.

Всё вышеописанное может быть реализовано, благодаря методу электрохимической обработки в восходящем потоке жидкости, в данном случае — воды.

Ко всем чисто технологическим выигрышным аспектам следует добавить исключительную экономичность такого типа оборудования.

В случае ирригационных технологий, важнейшим также является вопрос минимизации фактора расхода и экономии воды, но при этом как в технике, так и в агротехнике особую остроту вопросу придают экологические стандарты.

Требование соответствия экологическим стандартам, помимо чисто технических проблем, добавляет разработчикам агротехнических технологий забот как в области экономного расходования водных ресурсов, так и в области наиболее эффективного с точки зрения современного растениеводства применения этой воды в конкретных теплицах и гидропонных комплексах.

Один из главнейших факторов в оценке эффективности полива является временной фактор, определяющий время контакта корневой структуры выращиваемых растений с водой.

Если учесть, что сегодня наиболее эффективным признано капельное орошение, насыщение капель воды воздухом перед попаданием капли в грунт является одним из факторов, определяющих успех.

Рис. 3. Модель капельницы с устройством для насыщения воды воздухом

На приведенной на рисунке 3 трёхмерной модели показан вариант и модель капельницы со встроенным устройством для смешивания и насыщения воды пузырьками воздуха.

При создании таких капельниц, учитывалось несколько ограничительных аспектов, в частности требования по эффективной работе капельницы при малом давлении воды и воздуха, а также требование по однородности капсулирования пузырьков воздуха в воде.

Учитывая необходимость в большом количестве таких капельниц, их экономичность является реальным ключом к решению проблемы.

Рис. 4. Модель капельницы с устройством для насыщения воды воздухом (в разрезе)

Для обоснования высокой экономической эффективности капельниц, необходимо также отметить их исключительную конструктивную простоту при максимальной функциональности. Что особенно важно — в конструкции капельниц нет подвижных частей и конструктивное исполнение деталей позволяют осуществлять массовое производство таких изделий на любом производстве из широкой палитры материалов с различными методами изготовления.

Широкие возможности оптимизации и модификации изделия, позволяют на одном и том же производственном оборудовании выполнять параллельно несколько модификаций этих изделий при необходимом уровне качества и при минимальных затратах на перестройку и переналадку производственного оборудования.

Учитывая тот факт, что основными потребителями всей палитры этих изделий будут относительно небольшие предприятия и теплицы с ограниченными ресурсами, такой подход к дизайну и к формированию технической характеристики изделий даёт возможность получить максимальный коммерческий успех при сохранении существующего технологического оборудования.

Все детали капельниц легко унифицируютсяимогут быть изготовлены как механической обработкой, так и литьём под давлением.

Эти же устройства могут с высокой степенью эффективности применяться в качестве форсунок и эффективных смесителей для любых видов жидкостей (рис.5).

Рис. 5. Применение модели капельницы в качестве форсунки для смешивания жидкости

Кроме применения в формате капельниц с прединжекционной обработкой эти же конструктивы могут применяться с небольшой модификацией в качестве активного локального смесителя.

Для этой цели вместо инжектора на центральном элементе выполняется вихревой генератор, который впрыскивает в технологическую ёмкость подаваемую жидкость в виде вихревой гидродинамической трубы.

Благодаря этому в технологической ёмкости ликвидируются застойные зоны и процесс впрыска интегрируется с процессом гидродинамической активации раствора в технологической ёмкости.

В применении к особенностям хранения гидропонных растворов в промежуточных технологических ёмкостях небольшого объёма, где невозможно применить стандартные активаторы, использование для гидродинамической активации модифицированных при помощи вихревых генераторов капельниц, позволяет получить необходимый уровень качества хранения гидропонных растворов, при практически полной унификации технологического оборудования и существенного снижения расходов на обслуживание, переналадку и эксплуатационные расходы.

К положительным свойствам и возможностям такого оборудования следует также отнести возможности совмещения процесса ввода жидкости в технологическую ёмкость с вовлечением введённой жидкости в процесс гидродинамической активации при минимальных затратах.

Применение указанных устройств в виде активирующих элементов в застойных зонах технологических ванн и ёмкостей позволяет не только резко поднять качество технологических растворов, но и обеспечить реальную возможность вести постоянную регенерацию технологических растворов с целью снижения их расхода и с целью снижения издержек на хранение технологических растворов и жидкостей.

Конструктивы капельниц могут быть также применены независимо в качестве как линейных, так и локальных пеногенераторов. Анализ пены, полученной на таких пеногенераторах показал чётко выраженную капсульную структуру, в которой содержится множество микрокапсул пены в каждой из которых ядром капсулы является пузырь сжатого воздуха или газа а в качестве оболочки выступает базовая жидкость раствора, чаще всего — вода.

Структурное преобразование в такой пене позволяет получить так называемую сжимаемую жидкость.

Рис. 6. Структура пены, образованной при помощи конструктива капельниц

Если в электрохимическом реакторе без применения химических реагентов получить жидкость с высоким уровнем щёлочности, то пена из такой жидкости становится идеальным моющим и дезинфицирующим средством, особенно для очистки и дезинфекции поверхностей, предназначенных для приклеивания укрепляющих или светозащитных плёнок.

Кроме того, углубление в процессы солнечной энергетики, показало достаточно серьёзный дефицит кремния для изготовления панелей солнечных батарей. Всё чаще специалисты обращаются в сторону нанесения на предварительно обработанную поверхность стёкол плёнок из кремния. Перед нанесением, для того чтобы исключить попадание на поверхность стекла различных химических реагентов и ионов тяжёлых металлов, содержащихся в воде, лучше всего обрабатывать поверхность при помощи щёлочных и кислотных растворов, которые не содержат химические реагенты, например пену, полученную из воды с откорректированными кислотностью или щёлочностью.

Немного фактов из физики и химии растворения в воде и водных растворах:

Количество воздуха, которое может быть растворено в воде увеличивается с увеличением давления в системе и уменьшается с возрастанием температуры. Соотношение воздуха, растворенного в воде может быть отражено коэффициентом растворения.

Коэффициент растворения

S_a = m_a / m_w

где

S_a = коэффициент растворения

m_a = масса воздуха (кг)

m_w = масса воды (кг)

Закон Генри

Растворимость воздуха в воде следует закону Генри — «количество воздуха, растворенного в жидкости, пропорционально давлению системы» и может быть выражено как:

c = k_H p_g

где

c= объем растворенного воздуха

k_H= константа пропорциональности в зависимости от природы газа и растворителя

p_g= давление газа

Растворимость кислорода в воде выше, чем растворимость азота. Воздух, растворенный в воде, содержит приблизительно 35,6 % кислорода в сравнении с 21 % в воздухе.

Чем выше давление в зоне растворения, тем большее количество воздуха (кислорода) может быть растворено, грамм на килограмм воды.

Кроме того, температура воды в зоне растворения также играет существенную роль, то есть чем выше температура воды в зоне растворения, тем меньше воздуха (кислорода) в ней может быть растворено.

Кроме этого, необходимо принять во внимание и степень очистки воды перед впрыском и растворением перед впрыском.

Капсулирование в этом процессе играет также ключевую роль, так как при размере капсул в пределах 1 микрона (т. е. диаметр пузырька воздуха в капсуле не превышает 500 нанометров) площадь прямого контакта между водой и воздухом возрастает в тысячи раз. Если учесть тот факт, что в месте капсулирования и растворения давление может превышать 10–15 атмосфер, можно предположить, что количество растворённого воздуха (кислорода) будет максимально возможным.

Если проследить за процессом капсулирования и растворения в воде воздуха (кислорода) то станет понятно, что основное требование гидропоники — максимальная задержка воды после впрыска капли в место расположения корневой системы растений, выполняется благодаря тому явлению, которое можно квалифицировать как трёхмерное расширение геометрических размеров капсулы за счёт того, что после инжекции капли и изменения давления с 10–15 атмосфер на атмосферное, размеры пузырьков воздуха резко увеличиваются, что задерживает миграцию капель воды вниз от места инжекции.

В заключение автор считает необходимым отметить уровень положительного влияния инновационных безреагентных методов очистки, регенерации и рециркуляции воды и водных растворов на внедрение инновационных методов выращивания растений в различного типа теплицах. Применение таких методов включает не только инновационную перестройку традиционно существующего технологического цикла, но и адаптацию инновационных технических решений в реальные технологические схемы, принятые во многих тепличных комплексах.

Приложение 1

United States Patent Application	20100193445
Kind Code	A1
	August 5, 2010

FOAMING OF LIQUIDS

Abstract

Methods and systems for processing of liquids using compressed gases or compressed air are disclosed. In addition, methods and systems for mixing of liquids are disclosed.

Приложение 2

United States Patent Application	20100224497
Kind Code	A1
	September 9, 2010

DEVICE AND METHOD FOR THE EXTRACTION OF METALS FROM LIQUIDS

Abstract

A volume-porous electrode is provided which increases effectiveness and production of electrochemical processes. The electrode is formed of a carbon, graphitic cotton wool, or from carbon composites configured to permit fluid flow through a volume of the electrode in three orthogonal directions. The electrode conducts an electrical charge directly from a power source, and also includes a conductive band connected to a surface of the electrode volume, whereby a high charge density is applied uniformly across the electrode volume. Apparatus and methods which employ the volume-porous electrode are disclosed for removal of metals from liquid solutions using electroextraction and electro-coagulation techniques, and for electrochemical modification of the pH level of a liquid.

Приложение 3

United States Patent Application	20100224506
Kind Code	A1
	September 9, 2010

PROCESS AND APPARATUS FOR COMPLEX TREATMENT OF LIQUIDS

Abstract

Methods and apparatus for complex treatment of contaminated liquids are provided, by which contaminants are extracted from the liquid. The substances to be extracted may be metallic, non-metallic, organic, inorganic, dissolved, or in suspension. The treatment apparatus includes at least one mechanical filter used to filter the liquid solution, a separator device used to remove organic impurities and oils from the mechanically filtered liquid, and an electroextraction device that removes heavy metals from the separated liquid. After treatment within the treatment apparatus, metal ion concentrations within the liquid may be reduced to their residual values of less than 0.1 milligrams per liter. A Method of complex treatment of a contaminated liquid includes using the separator device to remove inorganic and non-conductive substances prior to electroextraction of metals to maximize the effectiveness of the treatment and provide a reusable liquid.

Приложение 4

United States Patent Application	20110069579
Kind Code	A1
	March 24, 2011

FLUID MIXER WITH INTERNAL VORTEX

Abstract

The present disclosure generally relates to a fluid mixer, a system for mixing fluids utilizing the fluid mixer, and a method of mixing fluids using the fluid mixer or the system for mixing fluids, and more specifically, to a compact static mixing device with no moving parts and capable of mixing any fluid, such as air, nitrogen gas, water, oil, polluted water, and the like. A first pressurized, incoming fluid is accelerated locally by a section reduction, is split into streams, and then is released into a second fluid found in a closed volume or an open volume after a period of stabilization. The directed and controlled first fluid slides along an insert up to directional and angled fins at a vortex creator where suction forces from a self-initiating vortex in an internal cavity draws in at least part of the first fluid to fuel the vortex. The compactness and simplicity of the fluid mixer with internal vortex can be used alone within a closed volume in a conduit, in a sprayer, or within a fixed geometry to direct the mixing vortex to specific dimensions. One or more fluid mixers can also be used in an open volume such as a reservoir, a tank, a pool, or any other fluid body to conduct mixing. The technology alone, as part of a multi-mixer system, or as a method of mixing using the fluid mixer with internal vortex is contemplated to be used in any field where mixing occurs.

Приложение 5

United States Patent Application	20120102736
Kind Code	A1
	May 3, 2012

MICRO-INJECTOR AND METHOD OF ASSEMBLY AND MOUNTING THEREOF

Abstract

The invention relates to a compact device for producing a composite mixture made of two or more fluids, and for aerating and energizing the composite and injecting it into a volume, and more specifically a micro-fuel injector mixing water, air, or any other types of fluid before it is injected into a volume such as a combustion chamber of an engine made of stackable mechanical elements, and the method of assembly and mounting thereof.

Литература:

1. Заявка на патент США 20100193445;
2. Заявка на патент США 20100224497;
3. Заявка на патент США 20100224506;
4. Заявка на патент США 20110069579;
5. Заявка на патент США 20120102736;