Способ постоянной дозации углекислого газа в теплицы в автоматическом режиме

Способ постоянной дозации углекислого газа в теплицы в автоматическом режиме

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к тепличному хозяйству, где используют углекислый газ для подкормки растений с целью увеличения урожайности, имеется необходимость поддерживать на заданном уровне концентрацию углекислого газа в теплице, даже в период с температурами наружного воздуха выше, чем внутри теплицы, а также имеются суточные и месячные лимиты газопотребления источника теплоты, выход за пределы которых наказывается штрафными санкциями.

Растения нуждаются не только в корневом, но и воздушном питании. К воздушному питанию можно отнести как поглощение листьями необходимой энергии света, так и поглощение ими газов, участвующих в метаболических процессах. Значимыми элементами надземного питания являются свет и углекислый газ. Они необходимы для образования сахаров в процессе фотосинтеза и действуют в одном направлении, усиливая действия друг друга. Подкормка углекислым газом улучшает рост растений и повышает урожайность. Подкормка растений углекислым газом (СО₂) является эффективным способом увеличения урожайности растений [1, 2]. При повышенной концентрации СО₂ формируется и становится доступно большее количество ассимилянтов. Это важно, т.к. на растениях находятся только 30% завязавшихся плодов, остальные отторгаются растением на начальных этапах из-за дефицита ассимилянтов [1, 2]. При высокой концентрации CO₂ количество ассимилянтов увеличивается и на растении формируется большее количество плодов.

Во многих тепличных хозяйствах производят подкормку углекислым газом в чистом виде посредством дожигания газа в горелках или газификации баллонного углекислого газа [3-5]. Данные методы дозации углекислого газа имеют ряд существенных недостатков:

1. Низкий КПД установок для дожигания газа.

2. Выброс избытка теплоты, образующейся при дожигании газа в теплицу, которая в летний период времени может вызвать ожег растений и повышение температурного фона в теплице.

3. Высокая стоимость природного газа и особенно газобаллонной углекислоты.

4. Невозможность автоматизации процесса дозации углекислого газа.

5. Неравномерное распределение концентрации углекислоты в теплице.

Известен способ обогрева теплиц и система для его осуществления [6], в котором получение углекислого газа осуществляется за счет сжигания природного газа в микрофакельных газовых горелках с одновременным обогревом теплиц, основанном на конвективном нагреве воздуха в объеме теплицы. К числу недостатков указанного способа следует отнести низкую эффективность, обусловленную неполным дожиганием природного газа с низким КПД горелок, небольшой теплосъем при сжигании газа, большие теплопотери вследствие расположения газовых горелок в верхних частях теплицы (на шпалере) и направления градиента температурного поля в зону низких температур - крыше теплиц, что исключает нагрев воздуха вблизи корневой системы растений. Указанный способ по своей сути наиболее близок к заявленному, поэтому принят в качестве прототипа.

Технической задачей изобретения является разработка способа постоянной дозации углекислого газа в теплицы даже при высоких температурах наружного воздуха, превышающих температуру воздуха в теплице, за счет использования вторичных энергоресурсов и автоматизации процесса получения, транспортировки и постоянной дозации углекислого газа в теплицы.

Техническим результатом изобретения является существенная прибавка урожая и значительное снижение себестоимости выпускаемой продукции тепличного хозяйства за счет использовании вторичных энергоресурсов теплогенератора и увеличения КПД теплогенератора на 1-1,5%, при этом КПД теплогенератора достигает 96%.

Применение системы постоянной дозации углекислого газа дает прибавку урожайности до 25% при использовании бросовых дымовых газов водогрейного котла при минимальных затратах на монтаж системы. В летний период вопрос дозации СО₂ является наиболее актуальным, т.к. при высоких температурах наружного воздуха более 20°C нецелесообразно включать в работу котел из-за отсутствия потребности в выработке тепловой энергии. В этом случае необходимо решить вопрос об аккумулировании тепловой энергии, вырабатываемой теплогенератором. Кроме этого при необходимости уложиться в рамки суточных и месячных лимитов газопотребления с целью избежать штрафных санкций за перерасход и недорасход газа предлагается использовать буферную емкость, позволяющую создавать запас тепловой энергии и производить постоянную дозацию СО₂ в теплицы. Кроме этого буферная емкость позволяет осуществлять работу котельной на низком давлении без использования сетевых насосов за счет высоты столба жидкости буферного бака.

Сущность способа поясняется фиг. 1-2.

На фиг. 1 изображена схема реализации заявленного способа.

На фиг. 2 приведена структурная схема системы автоматического регулирования постоянной дозации углекислого газа в теплицы.

Уходящие газы после котельной установки (водогрейного котла) поступают в утилизатор 1, имеющий принципиально другую конструкцию в отличие от существующих аналогов [например, 7], где происходит беззатратное получение углекислого газа из продуктов сгорания водогрейного котла. Дополнительными отличающими особенностями конструкции утилизатора является возможность отбора углекислого газа из установки и одновременной его транспортировки в автоматическом режиме, в зависимости от концентрации в теплице, к месту потребления вентилятором 2, с температурой 60°C, позволяющей использовать отечественные ПВХ канализационные трубы для транспортировки. После вентилятора углекислый газ поступает в распределительную магистраль 3, выполненную из ПВХ канализационных трубопроводов отечественного производства, по которым через регулировочный клапан 4 подается в теплицу под каждый ряд растений по перфорированным полиэтиленовым рукавам 5. Рукава имеют калиброванные отверстия, из которых происходит истечение углекислого газа под каждое растение теплицы. В случае, когда не требуется выработка теплоты, а дозация углекислого газа необходима, тепловая энергия, выработанная котельной установкой, с помощью насосного агрегата 7 поступает в буферную емкость 6. Тепловая энергия, накопленная в течение дня в буферной емкости, используется в ночное время на поддержание микроклимата или на подготовку поливочной воды, питьевой воды или другие цели, кроме этого в зимний период обеспечивает дополнительную тепловую нагрузку 0,5 Гкал/ч, что позволяет устанавливать котельные установки меньшей тепловой производительности. Для поддержания концентрации углекислого газа в теплицах на заданном уровне используется система автоматического регулирования (САР), позволяющая поддерживать заданную концентрацию углекислого газа в теплице с помощью применения регулировочного клапана 4, а также управлять всем процессом, получения, транспортировки и дозации углекислого газа. САР работает следующим образом (Фиг. 2). В каждой теплице установлен датчик, измеряющий концентрацию углекислого газа. При уменьшении концентрации углекислого газа в теплице ниже установочного значения подается сигнал на вентилятор 2, одновременно с этим происходит открытие регулировочного клапана на входе в теплицу 4. При этом вентилятор, снабженный частотным приводом, начинает производить дозацию углекислого газа в теплицу, создавая давление углекислого газа в системе трубопроводов, в зависимости от количества открытых клапанов. Давление в системе трубопроводов углекислого газа измеряется датчиком давления, от величины выходного сигнала которого изменяется частота вращения вентилятора. При достижении требуемого установочного значения концентрации углекислого газа в теплице происходит закрытие клапана на входе в теплицу 4, а при достижении требуемого установочного значения концентрации углекислого газа во всех теплицах происходит и отключение вентилятора 2.

В случае, если не требуется выработка теплоты на источнике теплоты, а существует необходимость расходования природного газа с целью выбрать лимит суточного или месячного газопотребления, или есть необходимость дозации углекислого газа в теплицы, а тепловой нагрузки в теплице не требуется, происходит включение источника теплоты и сброс тепловой энергии в буферную емкость 6 с помощью насосного агрегата 7.

Преимуществами заявленного способа являются:

- беззатратное получение углекислого газа из бросовых уходящих газов котельной установки;

- возможность производить постоянную дозацию углекислого газа при отсутствии тепловой нагрузки (когда нет необходимости запускать в работу источник теплоты в летний период с температурами наружного воздуха выше, чем внутри теплицы);

- возможность не выходить за рамки лимитов суточного и месячного потребления природного газа;

- возможность отбора углекислого газа из установки и одновременно его транспортировки к месту потребления вентилятором;

- возможность применения отечественных ПВХ канализационных труб;

- увеличение КПД котельной установки на 1... 1,5% за счет утилизации тепла уходящих газов;

- повышение урожайности на 25% от использования углекислого газа непосредственно у каждого растения;

- возможность производить постоянный сброс дополнительной тепловой энергии с углекислым газом в теплицы;

- возможность использования системы автоматического регулирования для поддержания нужной концентрации углекислого газа в теплице с помощью применения регулировочного клапана 4;

- возможность уменьшения максимальной расчетной нагрузки источника теплоты на 0,5 Гкал/ч;

- возможность применения данного способа для подкормки растений, выращиваемых непосредственно на грунте, без применения дополнительных затрат, т.к. перфорированные шланги, дозирующие СО₂, выполняются из полимерного материала и могут размещаться непосредственно на грунте;

- возможность применения данного способа при всех имеющихся способах выращивания культур;

- возможность производить работу источника теплоты на низких давлениях без применения сетевых насосов за счет высоты столба жидкости буферного бака.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Жученко А.А. Экологическая генетика культурных растений. / А.А. Жученко. - Кишинев: «Штиинца». - 1988. - 200 с.

2. Климов А.А. Программирование урожая / А.А. Климов, Г.Е. Листопад, Г.П. Устенко // Труды Волгоградского сельскохоз. института, т. XXXYI. -Волгоград: Изд-во ВолСХИ. - 1971. - 300 с.

3. Пат. 2048063 Российская Федерация, МПК A01G 9/24. Способ обогрева блочных теплиц / Гарбуз В.М., Чеканов А.А.; заявитель и патентообладатель: Гарбуз В.М., Чеканов А.А. - опубл. 20.11.95.

4. Гарбуз В.М. Разработка и эксплуатация систем отопления и вентиляции пленочных теплиц: рекомендации / В.М. Гарбуз и др. - М.: Росагропромиздат, 1988. - С. 3-40.

5. Гулько Т.В. Газификация и газоснабжение сельского хозяйства / Т.В. Гулько и др. - М.: ИРИЦ «Фермер», 1994. - С. 20-36.

6. Пат. 2152709 Российская Федерация, МПК A01G 9/24. Способ обогрева теплиц и система для его осуществления / Гарбуз В.М., Литвинов С.С.; заявитель и патентообладатель Гарбуз В.М., Литвинов С.С.- опубл. 20.07.2000.

7. Пат. на полезную модель 96456 Российская Федерация, МПК A01G 7/02. Устройство для получения углекислого газа постоянной дозации его в теплицы для подкормки растений и обогрева / Овчинников А.В., Каравайков В.М.; заявитель и патентообладатель Овчинников А.В., Каравайков В.М. - опубл. 10.08.10, бюл. №22.

Способ постоянной дозации углекислого газа в теплицы в автоматическом режиме, включающий отбор, транспортировку и дозацию углекислого газа, отличающийся тем, что отбор и одновременную транспортировку углекислого газа к вентилятору утилизатора котельной установки осуществляют в автоматическом режиме в зависимости от концентрации углекислого газа в каждой теплице, контролируемой датчиком, установленным в ней, а постоянную дозацию углекислого газа выполняют автоматически путем регулирования положения клапана на входе в теплицу и изменения давления в системе трубопроводов посредством регулирования частоты вращения вентилятора по результатам измерения давления в системе трубопроводов.