автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование технологических параметров и разработка оборудования для гидро- и эропонного способов выращивания рассады и овощей в теплицах

р г и Г« п

V Г1

I 2 На правах рукописи.

ОЛЕЙНИКОВ Юрий Дмитриевич.

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ГИДРО- И АЭР01ГО1Ш0Г0 СПОСОБОВ ВЫРАЩИВАНИЯ РАССАДЫ И ОВОЩЕЙ В ТЕПЛИЦАХ.

05.20.01-Механизация сельскохозяйственного производства.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1998

Всероссийский научно-исследовательский институт овощеводства.

Научные руководители: доктор технических наук, старший научный сотрудник Гарбуз В.М., кандидат технических наук, профессор Сидоренков Ф.Т.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профсс-. сор Ильюхин М.С., кандидат технических наук, старший научный сотрудник Шуяьженко Б. А.

Ведущее предприятие: Акционерное общество закрытого тина Агропредприятие «Косино».

Автореферат разослан^1 января 1998 года.

Защита диссертации состоится $. марта 1998года в [Ъна заседании диссертационного совета Д. 120.12.02 Московского государственного агроинженерного университета имени В.II. Горячкина /МГАУ/.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке университета.

' Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 127550, г. Москва, Тимирязевская улица, д. 58, ученому секретарю.

У чеиый секретарь диссертационного совета кандидат тех- j]j), / А.Г. Левшип ничсских наук, доцент

,0.

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Одной из основных задач современного овощеводства защищенного грунта является снижение себестоимости выращивания овощей. Гидропоника - одно из перспективных технологических направлений, обеспечивающее решение этой задачи. Технология замены традиционных почв в теплице на субстрат позволяет значительно увеличить выход продукции, т.е. повысить урожайность, сократить затраты средств и труда, связанные с подготовкой, транспортировкой и заменой традиционных почвосыесей, ежегодной их подготовкой путем пропаривания, что позволяет экономить большое количество тепловой энергии. В то же время питательные субстраты при периодической регенерации можно использовать 15-20 лет без замены, а такие разновидности технологии, как аэропоника, или подтопление вообще не нуждаются в субстратах.

Работа выполнялась в 1986-1996 годах в соответствии с планом научно-исследовательских работ НИИ овощного хозяйства НПО по овощеводству "Россия" на 1985-1996 годы по теме 04.02.13Т "Разработать и внедрить технологические процессы, комплексы машин, оборудования и сооружения для производства овощей и шампиньонов в защищенном грунте" (номер Государственной регистрации темы 018170002206), входящей в Государственную координационную научно-технологическую программу 0.51.18.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является теоретическое обоснование оптимальных параметров работы систем гидропоники, создание и совершенствование оборудования, а также определение режимов его работы непосредственно в условиях производства.

Для достижения поставленной цели необходимо было выполнить следующие исследования:

1. Теоретически обосновать оптимальные тепловые режимы в кор-

необигаемой зоне растений при различных технологиях выращивания, а именно:

- разработать математическую модель и получить аналитическое решение для процессов теплообмена в используемых на практике технологиях по выращиванию рассады овощных культур;

- дать теоретическое обоснование тепломассообмсна в системах гидропоники при нетрадиционном размещении культур в объеме теплицы;

- построить и решить математическую модель теплообмена при аэропонной системе выращивания овощных культур.

2. Разработать, изготовить и провести экспериментальную проверку механизированной системы минерального питания растений.

3. Разработать и проверить в производственных условиях новую энергоэкономичную систему выращивания рассады.

4. Разработать технические рекомендации по технологическому оборудованию для выращивания растений с рациональным их размещением в объеме культивационного сооружения.

5. Изготовить и провести производственную проверку устройства для выращивания овощей гидропонным способом, отличающегося высоким уровнем энергосбережения.

6. Дагь технико-экономическое обоснование разработанных технологических решений, предлагаемых овощеводству защищенного грунта. ""

Методы исследований. В процессе выполнения работы использованы: методы математического и физического моделирования, методы математической физики для получения аналитических решений уравнений в частных производных, современные методики экспериментальных исследований тепловых, гидравлических и технологических процессов. Применялись специально изготовленные экспериментальные стенды.

Научная новизиа основных положений и разработок заключается в решении следующих теоретических и экспериментальных вопросов:

— сформулированы и аналитически решены математические модели тепло-массообменных процессов при выращивании овощных растений и рассады различными способами гидропоники и аоропоники;

— выявлены закономерности позволяющие определять оптимальные температурные и влажностные режимы, для выращивания растений;

— разработана новая система автоматического приготовления и подачи питательного раствора и определены режимы ее работы;

— разработаны устройства и оборудование для гидро - аэропон-ного выращивания овощей с уменьшением их удельной энергоемкости, и с обеспечением оптимального микроклимата (новизна и полезность подтверждены A.c. СССР №1641230, A.c. СССР №1644828, A.c. СССР №1780654 положительное решение на выдачу патента за № 9&Р (о/ 9¿19 У)

Практическая ценность. Выполненные исследования позволили обеспечить сокращение энергии на технологические процессы в 1,5..3 раза в зависимости от предложенного оборудования, способа выра-

щивания и режимов работы. Экономия минерального питания составила 15%.

Результаты исследований используются в проектных организациях и в учебно-методическом процессе при подготовке специалистов по овощеводству защищенного грунта.

Реализация результатов работы. Полученные результаты диссертационной работы использованы:

— при разработке рабочего проекта тепличного модуля размером 12,8x42м на крышах промышленных зданий (тема 0285 тематического плана ЦЭКТБ "Промтеплица" В/О "Союзпром-теплица");

— разработанная автоматизированная система минерального питания использовалась в пленочной теплице площадью 500 м2 объединения "Волговятмашэлектроснабсбыг" г. Нижнего Новгорода; в ангарной зимней стеклянной теплице площадью 1000 м2, установленной на крыше административного здания объединения "Печорские электрические сети" г. Печоры, республики Коми; в блочной стеклянной теплице площадью 5000 м2 при Давыдовской ГКС г. Моршанска Тамбовской области;

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на Всесоюзном научно-техническом совещании "Пути повышения эффективности использования современных сооружений защищенного грунта" 15 мая 1990 года в г. Симферополе; на научно-техническом совете НИИОХ НПО "Россия" 20 июня 1990 года в г. Мытищи; на научно-техническом семинаре энергетического факультета МГАУ ин. В.II. Горячкина "Высокоэффективные и биоинформационные системы управления АПК" 3-5 февраля 1997 года.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в которых отражено основное содержание диссертации. Основные технические решения защищены авторскими свидетельствами.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на {у ¿страницах машинописного текста, иллюстрирована рисунками, содержит .

{¿таблиц и . /{приложений, !// ^аГ^^, риуиис^ ?ч<ромо-

Содержание работы.

В первой главе проведен анализ современного состояния гидропонных способов выращивания овощей и рассады, а также технических средств для их выращивания.

На основе обзора литературы выделены основные факторы микроклимата, влияющие на рост и продуктивность растений, детально проанализировано влияние каждого из этих факторов как на биохимические реакции, происходящие в растениях, и, тем самым, на химический состав получаемого продукта, так и на поведение растения, в целом, как живого организма.

Выполнен критический анализ существующих гидропонных способов выращивания овощных культур. Приведены основные требования к качеству поливной воды для различных технологий выращивания, сформулирован количественный критерий пригодности поливной воды по кислотности (рН), электропроводности и химическому составу.

Произведена классификация всех гидропонных систем, которые могут быть разбиты на три больших: субстратная культура, водная культура, аэропонная культура. Каждая из этих групп, в свою очередь, содержит более мелкие подгруппы, отличающиеся друг от друга по характерному признаку.

Во второй главе дано теоретическое исследование тепловых режимов корнеобитаемой среды растений при различных его способах выращивания.

Первая задача посвящена разработке математической модели нагрева субстрата при периодической подаче подогретого питательного раствора в корнеобитаемую зону, то есть система с периодическими подтоплением. Ее конструктивные особенности можно сформулировать следующим образом:

- система состоит из двух различных слоев 0<х<хг и хг<х<хз с различными теплофизическими характеристиками, между которыми при Х=Х2 расположен герметичный поддон;

- нижний слой (0<Х<Х2) представляет собой теплоизолированный снизу и обогреваемый электронагревательными проводами на уровне х=х] слой песка;

- верхний слой (хг<х<хз) - это различного рода субстрат, в котором расположена корнеобитаемая зона, с периодической подачей в него подогретого раствора.

В соответствии с расчетной схемой математическая модель представляет собой двухслойную одномерную задачу теплопроводности с внутренним источником теплоты, описываемую следующей сис-

темой уравнений теплопроводности для верхнего Т=Т|(х,т) и нижнего.-Т=Т2(х,т) слоев:

0Т,(х,т)_ 92Т,(х,т) аТ2(х,т) 52Т2(хл)

Я., Я,

5т 1 дх ' дх

с граничными условиями 5Т, дх

дТ,

-= а, -

5xJ

с2р

х= х.

= а(т,(х = х3,т)-Твн) Т,(х = х2,т) = Т2(х- х2,т);

5т

=

5Т,

х = х-

5т

х = х,

ЗТ, Эх

О,

х=0

(1 )

где а; - коэффициенты температуропроводности, м2/с; Aj - коэффициенты теплопроводности, Вт/м К; а - коэффициент теплообмена, Вт/м2К; с'р - объемная теплоемкость, кДж/м3К; ю - мощность плоского внутреннего источника теплоты, Вт/м2; Tmi - температура воздуха внутри теплицы; 5(х) - дельта-функция Дирака; т - время.

Поскольку основной интерес представляет поиск квазистационарного периодического решения с периодом, определяемым временем между последовательными поливами, то общее решение системы ищется в виде суммы усредненной по времени стационарной составляющей Г(х) и периодической нестационарной

+'l(x,x). Предполагается, что после подачи подогретого питательного раствора в слой I он нагревается до температуры воды Тп, а температурное поле в слое И за это время остается без изменений. В этом случае в качестве начального условия для решения системы уравнений (1) можно приблизительно считать следующие: Т|(х,т =■ О) = Т„, Т2(х,т = О) = Т2С1 (х). С учетом этого условия система (1) становится замкнутой и имеет одно единственное решение. Для стационарной составляющей оно имеет вид:

Т,ст (х) = - —х + Тпн

1 х3

+ са[ —f- —— I, где х2 < х < х},

(X A J ,

Т2СТ(х) = -Т-х + тш. +©

03

1 X

—+7 а к

1

+ их.

1

Я,

где х | < х < х 2;

(2)

Т2ст(х) = -—х, +ГВИ + <о - + Т2" +шх2

Для переменной составляющей решение ищется в виде разложения в ряд по собственным функциям £п(х) стационарного дифференциального оператора теплопроводности

а*

где

ш=

ЯеЛпе^а' , прих2<х<х3

ЯеВ„е'а,,<, при 0 < х < х2 Бр - собственные значения оператора теплопроводности. Здесь постоянные А„ и В„ вычисляются с помощью граничных условий, коэффициенты С„ - из начального условия. Собственные значения Б,, определяются из характеристического уравнения

71п = — (х3 - х2) + агс!§

Я2 I а

X,'

1 Рп а а1

(4)

Из полученного решения (3) - (4) определяется время релаксации трсл системы к стационарному решению: -80 Для практического применения удобно использовать приближенное решение для

Т, которое можно получить из выражения (3), оставив в нем первое слагаемое при п=0, то есть:

'1 х,

Т|(х,т)« Тве ,рел +

1-

Т2 (х, т) « Т2СГ(х) = - ^х + Твн + о

© 1 1 л,

при х2 < х < х3;

—н ■

+ шх-

1

1

Хг >м

(5)

Я.,,

при х, < х < х2;

чЯ2 Я.]/ при 0< х< х,.

Характеристическое уравнение для нахождения времени релаксации Трел имеет вид:

Т2(х,т)«Т2сг(х) = -^-х1 +ТШ1 +©^+|3-)+шх2

X, х7

= агсЫ

Х.2 /а,

^ Мс

А, \ а2 ^

а2Трт

(6)

V,alV. ~1ЛГ

Полученное решение позволяет полностью определить температурное поле в корнеобитаемой зоне при х2<х<х3 и выбрать необходимый температурный режим полива питательным раствором в зависимости от параметров системы.

Второй важной задачей, решенной в диссертационной работе, является расчет движения питательного раствора по наклонному желобу при наличии и отсутствии субстрата в нем. Технологически эта задача соответствует случаю гидропонной системы с лотками нетрадиционной формы и со специфическим расположением их в объеме теплицы. Эта технология позволяет увеличить количество растений в объеме теплицы и, тем самым, повысить рентабельность теплиц.

Физико-математическая модель характеризуется следующими допущениями:

- слой жидкости толщиной И ограничен сверху свободной поверхностью, а снизу неподвижной плоскостью, наклоненной под углом а к горизонту;

- ось х направлена по течению жидкости, а ось г - перпендикулярна поверхности течения;

- жидкость несжимаема.

В этом случае для поля скоростей Ух (г) можно воспользоваться "модифицированным" уравнением Навье-Стокса при наличии поля

тяжести П'

йх2

кУх + pgsina = 0 с граничными условиями

Ух(г - 0) = О,

ЗУ

25=И

= 0. Здесь р - плотность жидкости, кг/м3; ^ .

ускорение свободного падения; т} - эффективная динамическая вязкость жидкости, кг/м с; к - коэффициент инфильтрации, обусловленный трением жидкости о стенки капилляров субстрата в лотке, кг/м3; Решение этого дифференциального уравнения имеет вид:

рЕзта

сЬ

1-

где сЬх =

е -е

(7)

По полученной формуле вычисляется расход питательного раствора в:

[к.

с = р|ух(2)аг= о

Ир^та

Л.

1 —

где = -

е -е еч+е"

(8)

Далее с помощью этих формул составляется уравнение водного баланса и вычисляется доля воды, испаряемой за один полный проход

желоба Я = я/0, где q - общее количество влаги, испаряемое вдоль всей длины поверхности жидкости за единицу времени:

поверхности и с единицы объема (за счет поглощения корневой системой растений) слоя жидкости за единицу времени.

Приведены также формулы для двух важных предельных случаев, соответствующих свободному протеканию по желобу без субстра-

та (п -> Т]> к 0] и протеканию по очень плотному мелкодисперсному субстрату типа песка (в этом случае т} —>0, у—>0). Оптимальный выбор параметра должен обеспечивать условие Я«1.

Третья математическая модель, разработанная в диссертации относится к аэропонным системам выращивания овощей. Геометрически аэропонная система представляет собой герметичную камеру с растениями, точнее с их корневой системой, в которую периодически впрыскивается мелкодисперсный питательный раствор. Под действием силы тяжести часть капелек со временем оседает на дне камеры и выводится наружу, а другая часть - попадает на корневую систему и поглощается растениями. В том случае, если температура питательного раствора Т| не совпадает с температурой воздуха в камере Т2, происходит теплообмен между каплями и воздухом за счет испарения влаги с капель, если Т|<Тг, или конденсации влаги на каплях при Т,>Т2. Таким образом, появляется возможность влиять на температуру воздуха в камере посредством изменения температуры питательного раствора.

Из уравнения тепломассообмена между воздухом камеры и впрыскиваемого каплями питательного раствора было найдено аналитическое выражение для времени установления теплового равновесия трсл в этой камере. Показано, что наиболее эффективный режим теплообмена достигается в том случае, когда время тепловой релаксации системы ТрСЛ приблизительно .совпадает с временем оседания капель

187Гт]Н

на дно камеры тг, т.е. тргл«Т2, где х2 ~ ^ ^ ^ ; Н - высота камеры, м;

П - динамическая вязкость воздуха; § - ускорение свободного падения; рк - плотность капли; - площадь поверхности капли, м2. Поскольку время релаксации хрсл зависит только от внутренних параметров воздушной среды, то управлять им затруднительно, поэтому

Здесь феноменологические коэффициенты у,кг/м2с и Р,кг/м3с описывают количество испаряемой влаги с единицы

управляющим параметром здесь является Тз, непосредственно связанная с размером впрыскиваемых капель.

Следующая теоретическая задача посвящена расчету температурного поля и поля влажности в субстрате, помещенном в цилиндрическую оболочку. Технологически этот прием имеет место в том случае, когда хотят ослабить процесс испарения влаги из субстрата и стабилизировать параметры микроклимата в субстрате.

Уравнение теплопроводимости для данной задачи имеет вид:

оТ(г,г)

дх

52Т(г,т) 1 5Т(г, т)

й-2 г 8т

(9)

Х л.

дг

где Т(г,т) - температура субстрата внутри цилиндра: а - температуропроводность субстрата, м2/с; г - расстояние до оси цилиндра, м; т - время, с.

Граничные и начальные условия представлены в виде:

gj

= а[тш(т)- T(R,t)] + qBH(т), Т(г,т = о) = f(r),

ir=R

где X - коэффициент теплопроводности, Вт/м К; а - коэффициент теплообмена, Вт/м2К; Тн,(т) ицИ1(т) - соответственно, внешняя температура и внешний радиационный тепловой поток, которые зависят от времени.

После перехода к новой неизвестной функции + 1 ИИ (т) + q |3n(t)/ot решение уравнения (9) удобно искать в виде разложения по собственным функциям стационарного дифференциального оператора теплопроводности, которыми для цилиндрической емкости являются модифицированные функции Бесселя нулевого порядка ,, "j^j. Здесь R - радиус цилиндрической оболочки, у„ - корни

характеристического уравнения: _а10(ут)+—yml,(ym):=0, где 1,(х)-

модифицированная функция Бесселя первого порядка. В итоге, получено решение для Т,(г,т).

т.М^ЕМтн/у^), (Ю)

п=о 4 147

-М2 1

где ЪДтЬе^^.^^х)

Г(х)-Тш(0)-

а

йх-

1+-

а2!*.2

^ Тп

1о(Тп)

2аК \

%и(1)

а

С помощью полученного общего решения исследовано влияние суточных изменений температуры и потока теплоты на усредненное

по координате г значение температурного поля 'Г(т) = т(г, т)с!г.

В этом случае в решении (10) следует оставить только первое слагаемое при п=0, и пренебречь всеми остальными затухающими по

времени слагаемыми, а в качестве функций Тви(т) ицШ1(т) подставить следующие:

твн('с) = ТШ1 + АТВ11 в'ифт +Л,), Явн(т)- Чип + АЧвн 8ш(От + Д2), где Твн - средняя в течение суток температура наружного воздуха; Явн ■ средний за сутки тепловой поток от солнечной радиации; ДТШ1 иАцвм - амплитуды суточных колебаний наружной температуры и солнечной радиации, соответственно; О - суточная частота; Л, и А2 • отставания по фазе. В результате, получено следующее выражение:

1"т(г,т)аг =ТВ11 + ДТИ1 5ш(пт+а1)+~[с1ш| +

а'

аК

То и?0

+ ДЯ вн Бт(От+А2 )]+ ■ Чвн-со5(От+А2 +ф0)[-5тф0,

(

1+У

а

АТШ1 соб(От + Д, +ф0) + (12)

где ШФо = ~Т"

а ( я

7о

7о - минимальныи корень характеристического

уравнения:

Полученное выражение позволяет рассчитывать температурное поле субстрата и регулировать температуру соответствующего этой системе питательного раствора при капельном поливе для того, чтобы избежать перегрева субстрата.

Третья глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям. Программа экспериментальных исследований включала:

1. Разработку, изготовление и испытание автоматизированного растворного узла;

2. Разработку, изготовление и производственные испытания энергоэкономичной системы выращивания рассады овощных культур;

3. Разработку, изготовление и производственные испытания оборудования для рационального использования объема культивационного сооружения;

4. Разработку, изготовление и производственные испытания энергосберегающих устройств для выращивания овощных культур в теплицах.

Эксперимент альные исследования выполнялись непосредственно в производственных условиях (НПО по овощеводству Рос-

I'5

в А

Р5

ЕЖ.

9

V'

НР.|

-1

В теплицу, 10-

Рис. 1. Принципиальная схема автоматизированного узла приготовления и подачи питательного раствора в теплицу.

сия ОПХ НИИОХ) Московской области в зимне-весенний период с декабря 1989 года по май 1995 года.

Для решения первой задачи была создана экспериментальная установка (рис. 1), включающая в себя две емкости с маточными растворами А (3) и Б (4), емкость для воды (5), а также рабочие емкости (1) для приготовления питательного раствора. Для подачи воды в систему использовался центробежный насос (6). С помощью электромагнитных вентилей (7) регулировалась подача маточных растворов. Пульт управления (9) с помощью датчика уровня (2), расположенного в рабочей емкости для приготовления питательного раствора, регулировал работу всей системы. На выходе из системы применялся насос (10) для подачи питательного раствора по заданной программе к корневой системе овощных культур. Устойчивость работы системы минерального питания обеспечивалась с помощью водоструйных насосов (8).

Испытания растворного узла выполнялись в две стадии. На первой стадии определялись характеристики водоструйного насоса (коэффициент эжекции) и режимы его работы. На второй стадии про-

водились испытания растворного узла в течение периода вегетации. -растений в производственных условиях.

В результате испытаний водоструйного насоса было установлено, что расход воды в нем составил величину GB=19,65 л/мин, а расход маточного раствора за счет эжекции оказался равным Gp=0,95 л/мин. Таким образом, коэффициент эжекдии в использованном насосе составил величину и = G /G , = 0,048 •

На второй стадии испытаний проверялась работоспособность системы автоматики растворного узла.

Результаты испытаний показали высокую надежность работы предложенной системы.

Второй задачей диссертации была разработка и испытание энергоэкономичной системы для выращивания рассады овощных культур. Эта задача решалась на основе метода малообъемной гидропоники. Для этого были изготовлены асбестоцементные лотки размером 10500x1800x200 мм, в которые помещались горшочки с субстратом для выращивания рассады. По дну каждого лотка укладывались электронагревательные провода типа ПНВСВ длинной 150 м, обеспечивающие подогрев поверхности лотка до температуры 20-30°С. Тепло-аккумулягором служил трехсантиметровый слой песка, поверхность которого покрывалась пленкой. В лотки периодически подавался питательный раствор по заданной программе: три раза в сутки до расстановки рассады и восемь раз в сутки после расстановки. Эти операции производились в автоматическом режиме со щита управления на основе данных датчиков уровней и датчиков температуры в лотках. Время заполнения лотков раствором составляло 15-20 минут, а время слива - 25-40 минут. Рассадные отделения обеспечивались автоматизированной системой поддержания искусственного микроклимата, включающей в себя подсистемы досвечивания, вентиляции и подогрева проточного воздуха.

Во время экспериментальных испытаний системы подогрева питательного раствора в емкостях на терморегуляторе устанавливали температуру равную 22°С и включали систему для работы в автоматическом режиме в течение трех суток. При установлении устойчивого режима проводили замеры температуры в емкостях через каждые два часа для трех уровней: hi=30 см, 112=60 см, Ьз=90 см. Высота емкости - 100 см.

Анализ полученных данных показал, что система подогрева устойчиво работает в пределах Туст± ДТЬ где Туст=22°С, АТг=2°С.

Экспериментальные исследования системы подогрева поверхности лотка включали в себя установку на терморегуляторе температу-

ры равной. 22°С и замеры температуры поверхности лотка в девяти •■ точках по объему лотка через каждые полчаса в течение трех суток.

Из полученных результатов следует, что система подогрева поверхности лотка работает в пределах Т = Туст ± ДТ2, где Тус, = 22°С, АТ2=3°С.

Система управления поливом рассады работала в автоматическом режиме во время испытаний и обеспечивала заданный режим подачи питательного раствора в лотки в соответствии с выбранными параметрами на датчике уровня лотка и установленным режимом работы насоса с помощью реле времени.

Периодичность работы насоса зависела от типа субстрата. В настоящей работе использовались субстраты из минеральной ваты, торфа сухого прессованного, цеолита и керамзита. Для первых двух субстратов питательный раствор подавался один раз в сутки, для оставшихся двух - четыре раза в сутки.

Термопары для измерения температуры субстрата устанавливались в нижней, средней и верхней частях горшков. Распределение температуры в субстрате рассады определялось во время и после подачи питательного раствора с записью на ленте прибора КСП-4.

Было установлено, что в первый момент идет снижение температуры субстрата за счет теплообмена с раствором. В дальнейшем , происходит медленное повышение его температуры за счет взаимодействия с воздухом внутри теплицы и нагрева электропроводами. Таким образом, здесь питательный раствор с постоянной температурой Туст = 22°С играет роль стабилизатора температуры субстрата по всему объему, снимая его перегрев.

Полученные данные по температурному режиму не противоречат теоретическим расчетам применительно к случаю, когда температура раствора ниже температуры окружающего воздуха.

Таким образом, результаты экспериментальных исследований позволяют сделать вывод, что разработанная энергоэкономичная система полива и отопления устойчиво обеспечивает заданный температурный режим в кориеобитаемой зоне и

'//■ЛЛ^

Рис. 2. Фрагмент установки "Спирального модуля".

достаточное питание растений.

Еще одной важной задачей которая рассматривалась в диссертационной работе, являлась разработка и производственное испытание оборудования для максимального использования полезного объема теплицы. С этой целью был разработан и установлен в теплице на площади 90 м2 экспериментальный "Спиральный модуль" (рис. 2), включающий в себя восемь устройств для выращивания типа "Спираль" (1), систему подачи (3) и сбора (4) питательного раствора, систему досвечивания и вращения (6) "Спиралей", систему подогрева питательного раствора. Высота "Спирали" равна 3000 мм, диаметр в основании - 1600 мм. В устройстве пять витков, расстояние между витками - 600 мм. Лотки "Спирали" имели в поперечном сечении две формы: трапециевидную и треугольную. В верхней части "Спирали" устанавливалась приемная емкость (3) объемом 1-2 л., в которую подавался питательный раствор и далее направлялся в лоток. Под действием силы тяжести питательный раствор спускался по лотку и по-■ падал в приемную емкость (4), объемом 1-2 литра, расположенную в нижней части "Спирали". Далее по системе сборных трубопроводов раствор попадает в сборную емкость (5) объемом 400 литров. Площадь, занимаемая одной "Спиралью" не превышает 2,5 м2, а количество растений, высаженных в лоткн, составляет величину от 80 до 100 штук на одну "Спираль". На каждые две "Спирали" устанавливалась одна сборная емкость для питательного раствора с системой подогрева и насоса для подачи раствора в "Спираль". Система автоматически обеспечивала заданный режим подачи раствора в "Спираль", с также контролировала его температуру.

Для обеспечения необходимого режима освещенности на каждые четыре "Спирали" устанавливалась система досвечивания с лампами высокого давления типа ДРИ-2000. Система вращения обеспечивала равномерное освещение растений. Скорость вращения "Спиралей" составляла величину 1,5-2,0 об/мнн.

В процессе испытаний были выбраны четыре варианта выращивания растений:

1 вариант - без субстрата;

2 вариант - субстрат из мин. ваты;

3 вариант - субстрат из цеолита;

4 вариант - субстрат из керамзита.

Рассада томата высаживалась в "Спирали" с расстоянием между растениями равным 25 см. Верх лотка укрывали черно-белой пленкой. Подача питательного раствора осуществлялась четыре раза в сутки (8, 12, 16, 20 часов) в течение 10 минут.

Йз полученных экспериментальных данных следует, что для це- .-олита количество питательного раствора, оставшегося в субстрате, не превышает двух литров при средней скорости подачи 3.64 л/мин и временем прохождения раствора от верхней точки до нижней равном приблизительно 9.0 мин. Для керамзита эти показатели составляют соответственно - 2.04 литра, 3.68 л/мин, 12.0 мин, для минеральной ваты - 14.0 литра, 3.68 л/мин.

Результаты измерений температуры питательного раствора по мере спуска по лотку "Спирали" показали, что на выходе из лотка его температура ниже на 1-2°С по сравнению с температурой на входе.

Система досвечивания позволяет увеличить среднюю освещенность "Спирального модуля" на высоте Ь=3.0 м до величены 12.0 кЛк, на высоте 11=1.2 м - до 20 кЛк, на высоте Ь=0.б м - до 21 кЛк, по сравнению с естественной освещенностью равной 5.0 кЛк.

Полученные в результате испытаний экспериментальные данные позволяют рассчитывать и осуществлять оптимальные режимы полива и досвечивания растений, выращиваемых в установках типа "Спираль".

В третьей главе диссертации приведены, кроме вышеизложенного, результаты производственных испытаний двух новых конструкций для малообъемной гидропоники, предположенных автором и имеющих условное название "Короб" и "Трубный модуль".

Первая установка "Короб" (рис. 3) включает в себя короб из теплоизоляционного материала (1), внутренняя часть которого покрыта черной полимерной пленкой (2), ороситель с распылителями (4), связанный с магистральным питательным трубопроводом. Под коробом размещен сборный трубопровод (3) питательного раствора. Короб имеет сверху два ряда отверстий для растений, закрытых снизу опорными полимерными сетками (5). Сверху отверстия экранированы светоотражающей пленкой с прорезями для растений (6). Распылители дуговые ОМЗ №1 с расходом 0,022 л/с размещены внутри короба из расчета один распылитель на четыре растения.

В процессе производственных испытаний определялись температуры воздуха в теплице и в корнеобитаемой среде растений "Короба". В пасмурный день средняя температура внутри "Короба" выше, чем температура воздуха в теплице. При этом повышение температуры воздушной среды в "Коробе" (по данным эксперимента на

Рис. 3. Устройство для аэропонного способа выращивания «Короб».

2-3°С) происходит через 3-5 минут после впрыскивания подогретого питательного раствора, осуществляемого каждые 20 минут. Далее через 5-10 минут происходит осаждение капель на стенки "Короба" и температура внутри "Короба" постепенно релаксирует к значению температуры внутри теплицы. С другой стороны, в летние солнечные дни средняя температура внутри "Короба" была ниже температуры воздуха в теплице на величину порядка 1-г7°С, резко уменьшаясь при этом в моменты впрыскивания раствора.

Таким образом, устройство для выращивания методом аэропо-ники "Короб" позволяет предотвратить резкие колебания температуры в кор-иеобитаемой среде, вызванные колебаниями температуры в теплице. Она позволяет также обеспечить локальный обогрев корневой системы растений и улучшить аэрацию корневой системы.

Новизна и полезность разработанного устройства "Короб" подтверждена авторским свидетельством (A.c. СССР №1644828).

Вторая экспериментальная установка "Трубный модуль" (рис.4) разработана для выращивания овощных культур с применением полимерных труб (1) диаметром 335 мм, заполненных субстратом, в качестве лотков-растилен. Были разработаны два варианта: в первом случае - две параллельные трубы, лежащие в горизонтальной плоскости; во втором - использовалась третья параллельная труба, расположенная над первыми двумя в верхней части опорной конструкции.

Внутри этих труб-растилен помещались перфорированные воздуховоды (7) из полимерных труб диаметром 32 мм для аэрации субстрата. В качестве субстрата использовались цеолит и торф. В верхней части труб-растилен выполнялись прорези шириной 100 мм и длинной 400 мм для высадки рассады. Для полива рассады использовался капельный ороситель типа "Аквадроп" (6), соединенный с магистральным трубопроводом (4). При этом капельницы отстояли друг от друга на расстоянии 280 мм, что соответствовало расстоянию меж-

15 TTTTTXi- £ "TTTT't Uli t u'Ttt

Рис. 4. Устройство для выращивания растений с аэрацией субстрата «Трубный модуль».

ду соседними растениями, то есть на одну капельницу приходилось одно растение. Неусвоенный питательный раствор через патрубок (2) по сборной магистрали (3) подавался в сборную емкость для последующего повторного использования. Аэрация осуществлялась между циклами полива с помощью перфорированных воздуховодов. Система "Трубный модуль" работала как в ручном, так и в автоматическом режиме.

В процессе производственных испытаний определяли температуры воздуха н зоне стояния растений и субстрата в трубах-растильнях и сравнивали последнюю с температурой внутри "Короба". Из полученных данных следует, что температура субстрата в солнечные дни была ниже температуры внутри "Короба" на 1+2°С, а в пасмурные дни - ниже температуры иоздуха в теплице на ¡^2°С.

Таким образом, при использовании "Трубного модуля" в теплицах удается максимально избежать испарения влаги из субстрата и корневой системы, а также стабилизировать температуру субстрата. Новизна и полезность разработанной установки для выращивания овощных культур подтверждается авторским свидетельством (A.c. СССР №1641230).

В четвертой главе диссертации приведен расчет экономической эффективности устройства типа "Спираль". Основой для расчета экономической эффективности внедрения новых технических средств и технологий являются методические рекомендации "Комплексная оценка эффективности мероприятий, направленных на ускорение научно-технического прогресса", утвержденные в 1988г и "Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования", утвержденные Госстроем РФ, Минэкономики РФ и Госкомпромом РФ 31 марта 1994г.

При расчете эффективности в качестве сравниваемых вариантов выбираются:

- базовый вариант - производство овощей на почвенных грунтах с капельным поливом:

- предполагаемый вариант - гидропонный способ выращивания овощей на установке типа "Спираль".

Исходные данные для расчетов эффективности принимались согласно отчетным показателям по совхозу-комбинату "Московский", а также рекомендациям "Технология выращивания овощных культур на торфяных и минеральных субстратах (малообъемная гидропоника)".

В качестве культурооборотов взяты: ! а) по базовому варианту:

1 культурооборот:огурец - томат

2 культурооборот: томат - огурец - выгоночные зеленые.

б) в предложенном варианте в качестве культуры выбираем то- -маты, выращиваемые в три оборота.

Рассчитанные показатели по урожайности и себестоимости (в ценах на 1.01.97 г) обоих вариантов представлены в таблице.

В результате, себестоимость производства томатов в базовом варианте, усредненная по двум культурооборотам, составляет величину S¡,=4.33 гыс.руб/кг, в то время как для предлагаемого варианта имеем S0ii=2.84 тыс.руб/кг.

Капитальные вложения по базовому варианту в расчете на 1 кг томатов составляют величину КугЕ=11.51 тыс.руб/кг, а для предлагаемого варианта расчеты дают Купт=4.26 тыс.руб/кг.

Урожайность и себестоимость производства овощей.

Таблица.

Наименование культур Урожайность, кг/м2 Себестоимость, т.руб/кг

а) Базовый вариант.

1. Томат зимне-весенний 12 3.89

2. Огурец осенний 6 3.87

3. Выгонка зеленных 8 2.31

Итого по культурообороту 26 -

4. Огурцы зимне-весенние 24 3.12

5. Томаты осенние 8 4.99

Итого по культурообороту 32 -

Всего 58 -

б) Предполагаемый вариант.

1 .Томаты 60 2.84

2. Томаты 60 2.84

3. Томаты 60 2.84

Всего 180 2.84

При последующем расчете годовой прибыли принимались следующие цены на овощи: томаты - 5.47 тыс.руб/кг, огурцы - 5.00 тыс.руб/кг, выгонка зеленных - 2.95 тыс.руб/кг.

Годовая прибыль, рассчитанная на 1 га площади защищенного грунта, в базовом варианте складывается из разности между ценой продажи и себестоимости производства овощей и составляет величину ПБ=798200.0 тыс.руб. Для предполагаемого варианта прибыль равна Пп=4734000.0 тыс.руб.

Сравнительный экономический эффект, получающийся как разность между общими затратами на производство овощей с одного гектара за сезон между базовым и предполагаемым вариантами, равен Эсг=25294б4.2 тыс.руб.

В результате, срок окупаемости ДТ дополнительных капитале-" вложений ДК в установку и технологию равен АТ=АК/Пп-Пв = 1.4 года. Здесь предполагается, что срок службы установки равен Тс=7 лет.

Общие выводы.

1. Разработана математическая модель и предложено приближенное аналитическое решение для расчета температурного поля субстрата при периодическом подтоплении субстрата питательным раствором. Получено уравнение для времени релаксации системы Т|>Ел к стационарному распределению температуры.

2. Решена задача динамики распространения питательного раствора по наклонному желобу для системы типа "Спираль", позволяющая вычислить для нее расход питательного раствора с различными типами субстратов.

3. Для аэропонной установки "Короб" предложена физико-математическая модель, описывающая динамическое и тепловое взаимодействие капелек питательного раствора, впрыскиваемого в камеру выращивания, с воздухом камеры. На основе этой модели решена задача тепломассообмена между каплями и воздухом за счет испарения влаги с капель (или конденсации на каплях). Предложены способы поддержания стабильной температуры воздуха в камере за счет подогрева питательного раствора и выбора необходимой частоты впрыскивания его в камеру.

4. Разработана физико-математическая модель для расчета динамики изменения температурного поля и поля влажности в капиллярно-пористой среде, помещенной в цилиндрическую оболочку, при капельном поливе. Полученные закономерности позволяют обеспечивать необходимые температурно-влажностные характеристики субстрата с помощью определенного режима полива.

5. Разработана эффективная универсальная система автоматического приготовления и подачи питательного раствора к растениям, обеспечивающая экономию минерального удобрения до 15%. Система отличается высокой надежностью и простотой в эксплуатации. Диапазон задаваемой концентрации питательного раствора от 1:50 до 1:200. Производительность растворного узла от 0,1 м3/ч до 1,0 м3/ч.

6. Создана высокопроизводительная многоярусная гидропонная система с использованием различного субстрата с возможностью его активной аэрации и обеспечения требуемого температурного режима.

Количество растений на 1 м2 инвентарной площади увеличивается практически в два раза (A.c. СССР №1644828 Приложение 5).

7. Разработана установка типа "Спираль", позволяющая максимально возможным способом использовать полезный объем теплицы для выращивания растений методом гидропоники, включая проточный способ. Конструкция "Спирали" позволяет регулировать световой режим с наименьшими затратами электроэнергии; количество растений, приведенное к 1 м2 инвентарной площади достигает 23шт. Использование устройства "Спирали" обеспечивает возможность конвейерного производства овощей, не только в традиционных теплицах, но и в произвольных производственно-бытовых помещениях, уменьшает энергоемкость овощной продукции в 3..10 раз за счет увеличения числа растений и за счет увеличения числа оборотов с использованием штамбовых сортов овощей.

8. Разработано энергосберегающее оборудование типа "Короб" для выращивания овощей аэропонным способом. При этом за счет автономного регулирования температуры корневой системы растений, и вегетационной массы, обеспечивается увеличение урожайности в среднем на 25%, а экономия энергии на 20..30% в зависимости от вида овощной продукции (A.c. СССР №1641230 Приложение 4).

9. Разработан комплекс оборудования для гидропонного производства рассады овощных культур, обеспечивающий регулирование влажности и температуры субстрата, с учетом возможности снижения температуры воздуха теплицы при радиационном обогревании "ковра" рассады с использованием ламп досвечивания. Гибкость регулирования температуры субстрата и воздуха обеспечивает высокое качество рассады и сокращение общих затрат энергии на 20..25% в сравнении с традиционным способом.

10. Проведен технико-экономический расчет установки типа "Спираль" и сравнение ее показателей с данными по производстьу овощей на почвенных грунтах с капельным поливом (базовый вариант). В результате, при выращивании томатов в три оборота за весен-не-зимний период среднегодовой экономический эффект от внедрения указанной установки на площади в 1 га составил величину 2529464.2 тыс.руб (в ценах на 01.01.97г). При этом срок окупаемости дополнительных капиталовложений в установку и технологию равен 1.4 года.

Основные положения диссертации опубликованы в работах.

1. Олейников Ю.Д., Егоров В.А. Автоматизированное рассадное этделение. Технология выращивания овощей в сооружениях защищенного грунта. Серия 4. Производство и переработка плодоовощной продукции. Выпуск 1. - М. Центр научно-технической информации, пропаганды и рекламы. 1990 г., стр. 13-17.

2. Вольф М.Н., Олейников Ю.Д, Рациональное использование сооружений защищенного грунта. Пути повышения эффективности использования современных сооружений защищенного грунта. - Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического совещания, г. Симферополь, 15-16 мая 1990 г., стр. 12-14.

3. Гарбуз В.М., Малюгин A.B., Олейников Ю.Д. Расчет расхода питательного раствора при выращивании растений. - Техника в сельском хозяйстве. №1, 1997 г., стр. 22-23.

4. Гарбуз В.М., Малюгин A.B., Олейников Ю.Д. Исследование процессов теплообмена в инженерных системах для производства рассады. - Техника в сельском хозяйстве. №4, 1997 г., стр.....

5. Олейников Ю.Д. Автоматизированная система минерального питания. - Труды ВНИИО.

6. "Устройство для выращивания растений". Авторское свидетельство СССР, М. №1641230, кл. A01G 31/02, 9/24. Вольф М.Н., Гарбуз В.М., Галицкий В.И., Олейников Ю.Д. - Бюллетень №14, от 15.04.91 года.

7. "Устройство для выращизания растений". Авторское свидетельство СССР, М. №1644828, кл. A01G 31/02, 9/г4. Вольф М.Н., Гарбуз В.М., Галицкий В.И., Олейников Ю.Д. - Бюллетень №16, от 30.04.91 года.

8. "Способ выращивания растений в условиях защищенного грунта". Авторское свидетельство СССР, М. №1780654, кл. A01G 31/0о. Вольф М.Н., Гарбуз В.М., Галицкий В.И., Олейников Ю.Д. -Бюллетень №

Подписано в печать /£>*•' Формат 60x89

Бумага писчая Усл.-печ.л. / 5

Заказ № I Тираж ш, '

Ротапринт Московского государственного агроинженерного университета им. В.П. Горячкина, 127550, Москва, Тимирязевская, 58