Система для нагревания и предохранения грунта от промерзания

 

Использование: изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности для обогрева грунта на открытых площадках в условиях холодного климата. Сущность изобретения: система содержит источник подогрева, насос и трубопроводы, уложенные в грунте и заполненные теплоносителем, например водой. Источник подогрева выполнен в виде аккумулятора солнечной энергии и объединен накопительной емкостью, насосом и трубопроводами в замкнутую циркуляционную систему. Газобаллонная установка, заполненная углекислым газом, соединена с трубопроводом, размещенным в аккумуляторе тепла. Площадка снабжена ограждением, выполненным по периметру из прозрачного воздухонепроницаемого материала. 2 ил.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, теплотехники и может найти применение при выращивании сельскохозяйственных культур на открытых грунтовых площадках в условиях холодного и умеренного климата.

Известно устройство для нагревания грунта, включающее размещенные в грунте горизонтальные трубопроводы, соединенные с источником тепловой энергии (котельной) и побудительное устройство в виде насоса.

(Калмыков и др., Строительство теплиц. Л.: Стройиздат, 1978, с.62).

Недостатками такого устройства являются большие затраты электроэнергии и высокая материалоемкость.

Известно устройство для нагревания грунта, включающее размещенные в грунте каналы, соединенные с каналом теплотрассы и помещением теплицы. Теплый воздух из канала теплотрассы поступает в верхнюю зону теплицы и, охлаждаясь, поступает вновь в теплофикационный канал (Авторское свидетельство СССР N 1521379, кл. А 01 D 3/14, 1987).

Недостатки этого устройства состоят в ограниченном применении, сложности и неэффективности использования на открытых грунтовых площадках.

Известно также устройство, содержащее источник тепла в виде резервуара с водой с затемненной поверхностью и соединенного с полимерными трубопроводами, которые уложены вблизи поверхности грунта. Нагретую в резервуаре от солнца воду подают в трубопроводы под действием естественного напора воды. (Овощеводство, N 4, 1969, с.11).

Недостатками устройства являются невозможность аккумулирования и сохранения тепла в резервуаре в течение продолжительного времени, недостаточные сроки выращивания растений на открытых грунтовых площадках и сложность сохранения растений при поступлении весенних заморозков.

Известен также аккумулятор тепла, цилиндрический резервуар, работающий от солнечной энергии. Резервуар снабжен заполненными теплоносителем и размещенными в радиальном направлении сообщаю- щимися вертикальными и горизонтальными трубами, имеющими в сечении -форму, деревянными брусьями, расположенными радиально под днищем и на крыше резервуара, и заключен в прозрачную герметичную оболочку, образующую со стенкой резервуара воздушную прослойку, в которой размещены вертикальные трубы, причем одна вертикальная центральная труба размещена в резервуаре коаксиально, а горизонтальные и периферийные вертикальные трубы каждого нагревательного элемента расположены в вертикальных плоскостях.

Цель изобретения состоит в снижении затрат электроэнергии, повышении эффективности и возможности выращивания сельскохозяйственный культур на открытых площадках с вечномерзлыми грунтами.

Поставленная цель достигается тем, что предлагаемая система снабжена аккумулятором тепла, накопительной емкостью, объединенными с насосом и трубопроводами в замкнутую циркуляционную систему, газобаллонной установкой, заполненной углекислым газом и соединенной с трубопроводом, размещенным в аккумуляторе тепла, причем распределительные и обратный трубопроводы размещены по короткой стороне площадки, ограждение которой по периметру выполнено из прозрачного воздухонепроницаемого материала с возможностью его вертикального перемещения и с наклоном внутрь площадки.

На фиг. 1 показана предлагаемая система в плане; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Устройство содержит аккумулятор тепла 1, насос 2, накопительную емкость 3, газобаллонную установку 4, кольцевой трубопровод 5, подающий трубопровод 6, коллекторы 7, распределительный и обратный трубопроводы 8, 9.

В зависимости от назначения площадки, вида сельскохозяйственных культур, климатических условий и размеров площадки на глубине 10-15 см от поверхности грунта естественного сложения или на поверхности грунта по длинным сторонам площадки укладывают коллекторы 7 диаметром 30-40 мм с патрубками диаметром 15-20 мм и подающий трубопровод 6. К патрубкам присоединяют на хомутах полиэтиленовые распределительные трубопроводы 8 диаметром 15-20 мм и обратный трубопровод 9 диаметром 30-40 мм, который соединяют с накопительной емкостью 3. Емкость 3 соединяют через насос 2 с аккумулятором тепла, в котором теплоносителем является вода.

В аккумуляторе тепла на небольшом расстоянии от днища размещают кольцевой трубопровод 5, один конец которого соединяют с газобаллонной прикислотной установкой 4, а другой выводят из резервуара к площадке. После проведения монтажных работ, проверки системы на поверхности площадки формируют культурный слой грунта 10 (почву), по периметру площадки выполняют ограждение 11 из газонепроницаемого материала, например из полимерной пленки. Ограждение 11 выполняют под углом 60-75^о к поверхности грунта с возможностью его вертикального перемещения. Вертикальное перемещение ограждения осуществляют по вертикальным направляющим, закрепленным в грунте. Между аккумулятором 1 тепла и насосом 2 устанавливают обратный клапан 12. Затем аккумулятор тепла заполняют до верхней рабочей отметки водой.

Рассмотрим работу системы в условиях вечномерзлых грунтов при отрицательных среднегодовых температурах грунта и атмосферного воздуха на примере одного из районов за полярным кругом (г. Лабытнанги). Районы Севера характеризуются большим количеством солнечных дней в весенний период и неустойчивой температурой воздуха. Постоянная солнечная погода в северных районах страны устанавливается в начале марта. В тени днем температура воздуха составляет минус 10-15^оС, на солнце плюс 10-20^оС. Однако снежный покров сходит с поверхности грунта только в середине или в конце мая. Это объясняется низкой температурой мерзлого под снегом грунта (-5-6^оС) и высокой отражательной и теплоизолирующей способностью чистого снежного покрова. В середине мая температура воздуха днем в тени колеблется в пределах минус 2-5^оС, а на солнце достигает плюс 20-30^оС. Грунт освобождается от снега в течение 2-3 дн., однако заморозки ночью и утром с температурой до минус 5^оС могут продолжаться до середины июня.

С наступлением устойчивой солнечной радиации в аккумуляторе 1 тепла вода нагревается до 50-60^оС и сохраняется при высокой температуре длительное время благодаря наличию эффективного теплоизолирующего экрана. Теплоизоляционным материалом экрана служит воздух, заключенный в пространстве между прозрачной полиэтиленовой оболочкой и корпусом резервуара.

В начале мая площадку освобождают от снега. Открытый для солнечной радиации грунт начинает интенсивно оттаивать. Скорость оттаивания грунта с поверхности составляет 4-6 см/сут. с учетом ежедневных заморозков. После оттаивания грунта с поверхности на глубину заложения распределительных трубопроводов 8, т.е. через 6-7 дн., на подающем трубопроводе 6 открывают кран 13. Нагретая вода из аккумулятора тепла поступает в ближний коллектор 7, распределительные трубопроводы 8, в дальний коллектор 7, а из него - в обратный трубопровод 9. Из трубопровода 9 охлажденная от грунта вода поступает в накопительную емкость 3, из которой воду с помощью насоса 2 подают в верхнюю часть аккумулятора тепла. Обратный клапан 12 пропускает воду только в одном направлении, т.е. в аккумулятор тепла. Охлажденная вода в аккумуляторе тепла вновь подогревается и замкнутый цикл движения воды повторяется.

Насос 2 работает в автоматическом режиме в зависимости от уровня жидкости в накопительной емкости 3. Емкость 3 снабжена поплавком и капроновым тросом, соединенным с заглушкой, закрывающей входной патрубок насоса 2. Расход и скорость нагретой воды в трубопроводах 8 регулируют с помощью крана 13, установ- ленного на подающем трубопроводе 6. Равномерная подача воды в распределительных трубопроводах 8 обеспечивается неодинаковыми диаметрами труб и зависит от линейного и местного сопротивления в трубопроводах 7, 8. Циркуляция воды в трубопроводах 8 приводит к быстрому оттаиванию мерзлого грунта снизу и повышению температуры талого грунта над трубопроводами до расчетной температуры, например до 15-20^оС. Заданную температуру грунта фиксируют с помощью температурного датчика, установленного между распределительными трубопроводами 8 на уровне корневой системы растений. Если температуру грунта необходимо повысить, то увеличивают расход и скорость нагретой в аккумуляторе тепла воды.

Система для нагревания грунта работает преимущественно в мае и в начале июня. После наступления устойчивых положительных температур воздуха систему отключают. Во время заморозков включают газобаллонную установку с углекислым газом. На баллоне 4 открывают вентиль 14. Углекислый газ подают из баллона в кольцевой трубопровод 5, нагревают до температуры плюс 20-25^оС от воды и по трубе 15 подают на площадку. Известно, что плотность углекислого газа значительно выше плотности холодного воздуха, поэтому углекислый газ заполняет все пространство площадки в виде белого облака, толщину которого принимают равной высоте ограждения 11. Углекислый газ вытесняет холодный воздух вверх и образует своеобразный теплоизолирующий экран 16. Поскольку теплопередача от газа в газовую среду незначительна (λ = 0,07), экран 16 из углекислого газа надежно защищает поверхность культурного слоя грунта (почвы) 10 от замерзания. Ограждение 11 из полимерной пленки предотвращает утечку углекислого газа с площадки. Высоту ограждения назначают из условия максимальной высоты растений на период весенне-летних и осенних заморозков.

При наступлении заморозков ветровые потоки, как правило, отсутствуют, однако для повышения надежности ограждение выполняют с наклоном внутрь площадки под углом 60-75^оС. Это позволяет направлять ветровые потоки над площадками небольшой площади и, таким образом, сохранить углекислотный экран от выдувания. Площадки большой площади защищать облаком из углекислого газа нецелесообразно и небезопасно, поэтому посадку сельскохозяйственных культур необходимо выполнять в период наступления устойчивых положительных температур воздуха.

Насос 2 и накопительную емкость 3 размещают рядом с аккумулятором 1 тепла на одной из длинных сторон площадки. Это позволяет устранить линейные и местные потери в трубопроводе, соединяющем насос 2 с аккумулятором тепла и, следовательно, существенно сократить затраты электроэнергии, которая в настоящем решении необходима только для подачи воды на высоту аккумулятора тепла (резервуара). На участке небольшой площади (до 4-6 соток) можно использовать ручной насос БКФ-1,2, не требующий для работы электрической энергии.

В конце сентября, когда наступают заморозки, устройство для нагревания грунта и газобаллонную установку вновь включают и используют до наступления устойчивых отрицательных температур воздуха, т.е. до середины октября. Таким образом, на площадках, подстилаемых вечномерзлыми грунтами, можно выращивать сельскохозяйственные культуры в течение 4 меc, используя предлагаемое устройство для нагревания и предохранения грунта от промерзания. В средней полосе (район Москвы) период выращивания сельскохозяйственных культур удлиняется до 7-8 мес, а это позволяет собирать на одной площади не менее двух урожаев в год овощей и фруктов.

В зимний период ограждение служит накопителем снега, для выполнения этого условия ограждение устанавливают вертикально. Известно, что при толщине снегового покрова более 1,5-2,0 м в условиях вечномерзлых грунтов начинается постепенная деградация вечномерзлого грунта, т.е. его температура постепенно повышается, а слой грунта сезонного оттаивания увеличивается и через 2-3 года достигает 3-4 м. В результате с каждым годом эксплуатации площадки ее температурный режим улучшается и становится более благоприятным для выращивания сельскохозяйственных культур, а энергетические затраты в процессе эксплуатации площадки снижаются.

Предложенная система позволит с минимальными затратами электроэнергии выращивать сельскохозяйственные культуры в условиях вечномерзлого грунта, значительно повысить урожайность в зоне рискованного земледелия и получить большой экономический эффект.

Формула изобретения

СИСТЕМА ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ И ПРЕДОХРАНЕНИЯ ГРУНТА ОТ ПРОМЕРЗАНИЯ, включающая размещенные в грунте обогреваемой площадки горизонтальные распределительные и обратный трубопроводы, подключенные к резервуару с источником подогрева воды, отличающаяся тем, что источник подогрева воды выполнен в виде совмещенного с резервуаром аккумулятора солнечной энергии, внутри которого размещен теплообменник с подсоединенной к нему газобаллоной установкой с углекислым газом, при этом теплообменник имеет выход на обогреваемую площадку, снабженную ограждением из воздухонепроницаемого прозрачного материала, а обратный трубопровод подключен к резервуару через накопительную емкость и насос.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2