Растворный узел для управляемого выращивания растений в защищенном грунте

Введение. Специфика выращивания культур в промышленных масштабах такова, что современные продукты изобилуют вредными компонентами из-за обработки почвы различными химическими удобрениями. Необходимость внесения в почву удобрений диктуется истоще- нием ее при интенсивном земледелии, а также стимулированием роста растений.

Несмотря на очевидную полезность удобрений, их нельзя вносить безконтрольно. Более того, при их внесении не вся их часть полностью усваивается растениями. Растворные узлы позволяют растворять удобрения до того состояния, в котором они наиболее эффективно усваиваются растениями, а значит снижается и количество вносимых в почву удобрений за счет увеличения их усвояемости [1].

Для контроля над процессом питания растений используют два показателя: кислотность (рН) и электропроводность (Ес).

Показатель рН является ключевым в питании растений. Большинство питательных элементов доступно для растений только в диапазоне от 5,5 до 6,3 рН. Соблюдение этого диапазона обеспечивает наибольшую доступность всех необходимых питательных веществ для растений.

Значение рН одинаково важно как при выращивании в земле, так и в субстратах. Так же, как в гидропонике, рН сильно влияет на доступность питательных веществ и наличие микроорганизмов и других растений в почве.

Некоторые растения требуют особого диапазона рН для доступности питательных веществ. Низкий рН почвы вызывает алюминиевую и марганцевую токсичности у растений и снижает наличие фосфора в почве. При высоком рН почвы также снижает доступность фосфора в почве и уменьшает доступность микроэлементов, таких как цинк и бор.

Электропроводность также является важным показателем в питании растений. Она показывает, насколько питательной является смесь. Электропроводность дают растворенные в воде соли. Чем больше солей растворено, тем больше электропроводность. Если уровень солей (Ес) слишком высок, внутренняя осмотическая система будет включена в обратную сторону, и растения начнут обезвоживаться. Измерение Ес в растворе исключает подкормку растений наугад.

Также следует учитывать, что при поливе в дни повышенной солнечной активности концентрацию питательного раствора стоит уменьшить, так как растения больше испаряют влагу и будут больше ее потреблять. Быстрорастущие растения нуждаются в питательных растворах с Ес в пределах 1,0–4,0.

Чтобы сохранить питательные вещества в оптимальных уровнях для различных фаз вегетативного роста, нужно постоянно контролировать уровень Ес в питательном растворе [2].

Большинство известных в настоящее время систем полива и подкормки растений [3], а также растворных узлов для приготовления и подачи питательного раствора [4, 5] характеризуются пониженной эффективностью работы из-за отсутствия возможности использования нескольких высококонцентрированных маточных растворов совместно, а также отсутствием возможности прецизионной корректировки питательного раствора по элементам питания в за- висимости от электропроводимости и кислотнощелочного баланса питательного раствора.

Известно, что полив сбалансированным питательным раствором растений в теплицах улучшает их рост и развитие, повышает урожайность овощных культур. Причем на разных стадиях развития растений требования к составу питательного вещества различны.

Цель исследования : разработка упрощенной конструкции и повышение эффективности работы растворного узла, улучшение качества получаемых питательных растворов.

Материалы, методы и результаты исследования. На рисунке схематически изображен разработанный нами растворный узел для выращивания растений в защищенном грунте.

n+1

Растворный узел для выращивания растений в защищенном грунте:

• 1    – питающий насос; 2 – фильтр грубой очистки; 3 – магистральный трубопровод; 4, 6, 8 – распределительные фитинги; 5 – регулировочный вентиль; 7 – фильтр тонкой очистки; 9 – расходомер; 10, 12– электромагнитные клапаны; 11 – секции системы полива; 13 – дренажная сеть; 14 – трубопровод; 15 – пробоотборник; 16 – обратный клапан; 17 – смесительный коллектор; 18 – емкости для маточных растворов; 19 – блок перистальтических насосов; 20 – обратные клапаны; 21 – отвод; 22 – смесительный контур; 23 – манометр; 24 – инжектор; 25 – датчики электрической проводимости и кислотно-щелочного равновесия; 26 – питательный раствор

Растворный узел для выращивания растений в защищенном грунте работает в одном из двух режимов:

• 1 .    Полив растений водопроводной водой . В данном режиме вода из водопроводной сети посредством питающего насоса 1 подается че-

• рез фильтр грубой очистки 2, где производится ее очистка от механических примесей. Далее, пройдя по магистральному трубопроводу 3 с распределительным фитингом 4, вода посредством регулировочного вентиля 5, находящегося в открытом состоянии, через фитинг 6 посту-
• пает в фильтр тонкой очитки 7 и далее к секции системы полива 11. Расход воды отслеживается по расходомеру 9 и регулируется посредством электромагнитных клапанов 10.

• 2.    Полив растворами удобрений и кислоты. В данном режиме вода из водопроводной сети посредством питающего насоса 1 подается через фильтр грубой очистки 2 , где производится ее очистка от механических примесей. Далее, пройдя по магистральному трубопроводу 3 с распределительным фитингом 4 , вода посредством регулировочного вентиля 5 , находящегося в закрытом состоянии, подается в смесительный контур 22 с манометром 23 через инжектор 24 в фильтр тонкой очистки 7 через фитинг 6 . Далее, пройдя через фитинг 8 и рас-ходометр 9 , одна часть воды попадает в сеть дренажной системы 13 с электромагнитным клапаном 12 , а другая часть воды – через фитинг 8 по трубопроводу 14, через пробоотборник 15 с датчиками электрической проводимости 25 и кислотно-щелочного равновесия 26 питательного раствора и обратный клапан 16 поступает в смесительный коллектор 17 и возвращается в инжектор 24 через входной патрубок 21, создающий разряжение в смесительном контуре 22 .

Одновременно с этим в смесительный коллектор 17 поступают маточные растворы удобрений и кислоты из емкостей для приготовления маточных растворов 18 посредством блока перистальтических насосов 19 и обратных клапанов 20. После смешивания в смесительном коллекторе 17 удобрения с потоком воды по отводу 21 попадают в магистральный водопровод 3 через инжектор 24 и, смешиваясь с чистой водой в фитинге 6, полностью растворяются, образуя питательный раствор. Когда концентрация вносимых веществ в потоке питательного раствора достигает необходимых параметров, установленные в пробоотборнике 15 датчики 25, 26 срабатывают, электромагнитный клапан 12 закрывается и открывается электромагнитный клапан 10, обеспечивая возможность поступления питательного раствора в секции системы полива 11. Таким образом, за счет создаваемого потока питательного раствора в трубопроводе 14 посредством инжектора 24, в пробоотборнике 15 с датчиками электрической проводимости 25 и кислотно-щелочного равновесия 26 питательного раствора непрерывно анализируются параметры питательного раствора, поступа- ющего в секции системы полива 11. Если концентрация удобрений в питательном растворе не соответствует технологии, то датчики электрической проводимости 25 и кислотнощелочного равновесия 26 питательного раствора, установленные в пробоотборнике 15, срабатывают, подавая сигнал на блок перистальтических насосов 19, изменяя, таким образом, количество поступления маточных растворов удобрений и кислоты из емкостей для приготовления маточных растворов 18. Это дает возможность получать быструю обратную связь для своевременной корректировки концентрации удобрений и кислоты с помощью импульсов включения и выключения блока перистальтических насосов 19. В случае, если в емкостях для приготовления маточных растворов 18 закончились растворы удобрений и кислоты, то установленные в пробоотборнике 15 датчики электрической проводимости 25 и кислотно-щелочного равновесия 26 питательного раствора срабатывают, закрывается электромагнитный клапан 10, ограничивая возможность поступления питательного раствора в секции системы полива 11, а электромагнитный клапан 12 открывается и некачественный питательный раствор сливается через дренажную сеть 13.

Представленное техническое решение имеет ряд преимуществ перед известными конструкциями:

• -    упрощается конструкция за счет применения одного насоса, который через магистральный трубопровод и электромагнитные клапаны соединен с сетью поливочных труб. Насос частично выполняет функцию смешивания питательного раствора и функцию поливочного насоса. Отсутствие смесительного бака делает систему экономически привлекательной и минимизирует ее размеры. Из-за небольших размеров растворного узла его удобно применять при выращивании растений в культивационных сооружения как открытого, так и закрытого типа;

• -    повышается эффективность устройства за счет возможности использования нескольких высококонцентрированных маточных растворов совместно, а также возможности прецизионной корректировки питательного раствора по элементам питания в зависимости от технологических требований;

• -    улучшается качество получаемых питательных растворов за счет применения пробо-

• отборника с датчиками электрической проводимости и кислотно-щелочного равновесия питательного раствора, совмещенного посредством смесительного коллектора, через обратные клапаны и перистальтические насосы с емкостями для приготовления маточных растворов.

Выводы

• 1.    Растворный узел для выращивания растений в защищенном грунте позволяет осуществлять полив сбалансированным питательным раствором растений в теплицах.

• 2.    Новым является то, что в отличие от известных технических решений и конструкций, содержащих питающий насос, магистральный трубопровод, фильтр, расходомер, трубопроводы, электромагнитные клапаны, инжектор, манометр, емкости для приготовления маточных растворов, дренажную сеть, он имеет пробоотборник, выход которого через обратный клапан сообщается с входом в смесительный коллектор, имеющий связь через обратные клапаны и перистальтические насосы с емкостями для приготовления маточных растворов, а выход пробоотборника через фитинг сообщается посредством электромагнитных клапанов с дренажной сетью и секциями системы полива.

• 3.    Разработанное техническое решение просто по конструкции, надежно в эксплуатации и может быть легко реализовано в сельскохозяйственном производстве в тепличных технологиях.