Устройство обеспечения теплицы газообразной углекислотой

Изобретение относится к области сельского хозяйства и касается оборудования для создания в тепличных комплексах для выращивания овощей и цветов оптимальной концентрации газообразной углекислоты в любое время года и суток. Устройство содержит технологический трубопровод с подключенными к нему резервуаром 3 для длительного хранения углекислоты (РДХУ), устройствами для газификации жидкой двуокиси углерода в виде воздушного испарителя 4 и системы жиклеров 6, редуктором и электропозиционером 9 для регулировки давления жидкой углекислоты. Устройство обеспечивает подачу газообразной углекислоты в теплицу посредством транспортировки жидкой углекислоты из РДХУ под давлением 18-22 бар через электропозиционер 9 и далее на устройство газификации в виде системы жиклеров 6, откуда газообразная углекислота поступает в теплицу, или посредством транспортировки газообразной углекислоты из РДХУ под давлением 10-18 бар через отключенный электропозиционер на понижающий редуктор 7 и далее под давлением 6-8 атм через отключенное устройство газификации в виде системы жиклеров в теплицу, или посредством транспортировки жидкой углекислоты из РДХУ под давлением 18-22 бар на устройство для газификации в виде воздушного испарителя 4, откуда газообразная углекислота через отключенный электропозиционер подается на понижающий редуктор 7 и далее под давлением 4-8 атм через отключенное устройство газификации в виде системы жиклеров поступает в теплицу. Такое выполнение обеспечит плавную корректировку концентрации газообразной углекислоты и доведения ее до оптимального для жизнедеятельности растений уровня, снижение энергозатрат и себестоимости сельхозпродукции. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области сельского хозяйства и касается оборудования для создания в тепличных комплексах для выращивания овощей и цветов оптимальной концентрации газообразной углекислоты (CO₂, диоксид углерода) в любое время года и суток.

Применяемые (Богданов К.Б., Усков Е.И. «Подкормка растений углекислым газом в защищенном грунте» // Гавриш. 2004. - №5. - С. 11-17; Богданов К.Б., Усков Е.И. «Современные способы использования диоксида углерода в агропромышленном комплексе». - М.: Агрокон-салт, 2003. - 15 с.; Пименова Т.Ф. Производство и применение сухого льда, жидкого и газообразного диоксида углерода. М.: Легкая промышленность, 1982) в Российской Федерации способы и системы обеспечения тепличных комплексов углекислотой предполагают получение углекислоты из дымовых газов котлов (9% CO₂) или газопоршневых машин (5% CO₂) вне зависимости от необходимой в теплице оптимальной концентрации углекислоты и обладают следующими недостатками:

1) экстремальным изменением условий подпитки растений углекислотой за короткий промежуток времени и значительными перепадами температуры в теплице вследствие невозможности плавной корректировки концентрации газообразной углекислоты и доведения ее до оптимального для жизнедеятельности растений уровня;

2) необходимостью каталитической очистки дымовых газов от вредных для растений примесей (окиси азота, этилена и др.);

3) высокой себестоимостью и потерями недоиспользованного количества углекислоты и тепла вследствие использования оборудования (котлов) для получения углекислоты в теплое время года, а также необходимостью контроля температуры в теплице и открывания фрамуг.

Наиболее близким аналогом (прототип) к заявленному изобретению является известная (http://teplitsa.net/articles/archive1/peredovie-teplichnie-tehnologii-revaho.html), используемая с 2011 года в тепличных хозяйствах РФ (как действующих, так и строящихся) система обеспечения тепличного комплекса газообразной углекислотой компании REVAHO (Нидерланды), которая основана на технологии 50-х годов подачи углекислоты в теплицу в составе выхлопных газов котлов или газопоршневых машин. Ниже указаны основные недостатки известной системы.

1. Произвольная нерегулируемая подача углекислоты вследствие отсутствия связи между фактической концентрацией углекислоты в теплице и подачей ее (после выделения из выхлопных газов) для подпитки растений в одном и том же объеме без учета сохранения оптимальной концентрации СО₂ в зависимости от времени суток.

2. Недостаточный для оптимальной жизнедеятельности растений уровень концентрации (400 РРМ:600 РРМ) газообразной углекислоты в теплице вследствие недостаточного количества (5:9%) ее содержания в составе выхлопных газов и нерегулируемой подачи.

3. Использование в качестве источника углекислоты образующихся при сгорании метана выхлопных газов, содержащих вредные газы, которые не полностью улавливаются катализаторами и, поступая в теплицу, негативно воздействуют на растения:

- угарный газ CO, предельная концентрация которого в воздухе теплицы составляет 20 мг/м³,

- окислы азота NO₂ (при концентрации NO₂ 0,00002:0,00006% снижается урожай и повреждаются поверхности листьев);

- окислы серы SO₂ (при превышении предельно допустимой концентрации (ПДК) SO₂ 0,00001% наблюдается некроз листьев);

- этилен (провоцирует в корешках растений старение, деформацию молодых листьев, усиливает ветвление куста);

- фтор (формирует тонкие короткие побеги).

Задачей настоящего изобретения является модернизация устройств обеспечения тепличных комплексов газообразной углекислотой.

Основной технический результат, получаемый при осуществлении заявленного изобретения, заключается в достижении в теплице оптимальной для надлежащего роста растений концентрации углекислого газа за счет выбора наиболее рациональной схемы снабжения теплицы углекислым газом.

Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство обеспечения теплицы газообразной углекислотой содержит технологический трубопровод с подключенными к нему резервуаром для длительного хранения углекислоты (РДХУ), устройствами для газификации жидкой двуокиси углерода в виде воздушного испарителя и системы жиклеров, редуктором и электропозиционером для регулировки давления жидкой углекислоты и обеспечивает подачу газообразной углекислоты в теплицу посредством транспортировки жидкой углекислоты из РДХУ под давлением 18-22 бар через электропозиционер и далее на устройство газификации в виде системы жиклеров, откуда газообразная углекислота поступает в теплицу, или посредством транспортировки газообразной углекислоты из РДХУ под давлением 10-18 бар через отключенный электропозиционер на понижающий редуктор и далее под давлением 6-8 атм через отключенное устройство газификации в виде системы жиклеров в теплицу, или посредством транспортировки жидкой углекислоты из РДХУ под давлением 18-22 бар на устройство для газификации в виде воздушного испарителя, откуда газообразная углекислота через отключенный электропозиционер подается на понижающий редуктор и далее под давлением 4-8 атм через отключенное устройство газификации в виде системы жиклеров поступает в теплицу.

В теплицу подается чистая углекислота (99,99%) в составе воздуха.

Первая схема подачи газообразной углекислоты в теплицу является самой производительной и применяется для достижения максимальной концентрации (от 0 до 2000 ррм, промилле: 1 ppm = 1 г/т = 1 мг/кг.) углекислоты в теплице за определенный промежуток времени.

Вторая схема подачи газообразной углекислоты в теплицу применяется при небольшом потреблении углекислоты растениями, при закрытых или полузакрытых фрамугах в теплице. Обеспечивается меньшая, но достаточная для восполнения потраченной на подпитку растений углекислотой концентрация углекислоты по сравнению с другими схемами.

Производительность подачи в теплицу газовой фазы CO₂ по третьей схеме по сравнению с первой схемой снижается как за счет падения давления в РДХУ, так и за счет понижающего редуктора. Такая схема применяется при малом потреблении углекислоты как по объему, так и по времени.

Применение той или иной схемы подачи газообразной углекислоты в теплицу обусловлено фактической (текущей) степенью концентрации в ней углекислоты, необходимой растениям в данное определенное время года и суток.

По сравнению с выбранным аналогом подача углекислого газа в заявленном изобретении производится в автоматическом режиме с оптимальной для подпитки растений концентрацией от 0 до 1000 РРМ (высокая производительность) и регулируется с учетом показаний контроллеров в зависимости от фактической ее концентрации в теплице применением одного из режимов (схем) подачи.

Предлагаемая система подкормки растений является наиболее современной и дает возможность регулирования не только объема подачи газовой смеси (как от котла), но и концентрации подаваемой в теплице газовой смеси. Предпочтительным при этом является осуществление расчета подачи углекислого газа в теплицу в килограммах, что позволяет правильно рассчитать необходимое количество жидкой углекислоты в любое время суток.

Контроль текущей и поддержание оптимальной концентрации углекислоты в теплице обеспечивается системой контрольно-измерительных приборов и автоматики (КИПиА), которая автоматически изменяет режим работы (переключает работу Устройства по любой из возможных схем транспортировки газообразной углекислоты) Устройства в зависимости от изменяющейся фактической концентрации углекислоты в теплице до оптимальной. Информация от установленных в теплице контрольно-измерительных приборов поступает на пункт, с которого на исполнительные механизмы Устройства подаются команды включения и/или отключения и/или регулирования подачи оптимальной концентрации газообразной углекислоты.

Для поддержания давления в РДХУ Устройство может быть обеспечено холодильными агрегатами. Однако наличие устройства выравнивания давления в РДХУ через установку по производству жидкой углекислоты (собственное производство углекислоты) исключает применение холодильных агрегатов.

Предполагается использование Устройства как в проектируемых теплицах, так и в действующих, имеющих котлы и газопоршневые машины (ГПМ) для производства электроэнергии, тепла и дымовых газов, используемых в качестве сырья для производства жидкой углекислоты («зеленая технология»). В этом случае Устройство (1 вариант - частный случай выполнения изобретения: собственное производство жидкой углекислоты) дополнительно оснащено соединенной с РДХУ установкой для производства жидкой углекислоты из природного газа и дымовых газов ГПМ. Технические характеристики и производитель указанного оборудования (углекислотная установка и ГПМ) подбираются индивидуально в зависимости от объема потребляемой углекислоты для теплиц. При этом Устройство обеспечивает теплицу электроэнергией, теплом, газообразной углекислотой и исключает необходимость транспортировки покупного продукта (жидкой углекислоты).

При использовании же вместо производимой на месте размещения теплицы жидкой углекислоты покупного продукта (2 вариант - частный случай выполнения изобретения) в состав Устройства входят транспортная емкость типа ЦЖУ (цистерна жидкой углекислоты) для доставки необходимого количества жидкой углекислоты в Устройство и насос для ее перекачки в РДХУ.

Заявленное Устройство применимо как для питания углекислотой растений, выращиваемых в грунте, так и с использованием гидропоники.

Снижение себестоимости сельхозпродукции происходит не только за счет снижения энергозатрат на ее производство, но и за счет отказа от применения промышленных газов, использование которых предполагает операцию по их очистке от вредных примесей, а также за счет автоматизации контроля и поддержания оптимальной концентрации газообразной углекислоты в теплице.

Экономический эффект от реализации изобретения состоит из:

ДОХОДНОЙ ЧАСТИ (слагаемые снижения себестоимости):

1) стоимость котлов, монтажа и пусконаладочных работ, эксплуатационных затрат (в круглогодичном, круглосуточном режиме);

2) стоимость сжижаемого природного газа (в круглогодичном, круглосуточном режиме);

3) стоимость аккумулирования тепла (в неотапливаемый сезон);

4) стоимость электроэнергии и тепла от ГПМ;

5) стоимость углекислого газа, уходящего через фрамуги теплицы при проветривании, при повышении температуры (в летний период);

6) дополнительная прибыль от реализации сельхозпродукции, получаемая в результате создания оптимальных условий для растений по питанию углекислотой;

7) прибыль от реализации жидкой углекислоты на сторону.

РАСХОДНОЙ ЧАСТИ:

1) стоимость установки для производства жидкого диоксида углерода (единовременные затраты, окупаемость в течение 1 года);

2) стоимость РДХУ (единовременные затраты);

3) стоимость технологического трубопровода по схемам №1, 2 и 3 (единовременные затраты);

4) стоимость ГПМ (единовременные затраты).

Для пояснения сущности заявленного изобретения прилагаются чертежи, на которых представлены возможные схемы транспортировки газообразной углекислоты в теплицу для вариантов (частных случаев) исполнения Устройства:

1 - вариант Устройства - жидкая углекислота является продуктом собственного производства:

- на фиг. 1 - устройство транспортировки газообразной углекислоты по схеме 1;

- на фиг. 2 - устройство транспортировки газообразной углекислоты по схеме 2;

- на фиг. 3 - устройство транспортировки газообразной углекислоты по схеме 3.

2 - вариант Устройства - жидкая углекислота является покупным продуктом:

- на фиг. 4 - устройство транспортировки газообразной углекислоты по схеме №1;

- на фиг. 5 - устройство транспортировки газообразной углекислоты по схеме №2;

- на фиг. 6 - устройство транспортировки газообразной углекислоты по схеме №3.

Ниже приводятся сведения, подтверждающие возможность осуществления Устройства с достижением вышеуказанного технического результата.

Устройство по 1-му варианту содержит (см. фиг. 1-3) следующие основные элементы:

- ГПМ 1 по производству электроэнергии из природного газа и получения выхлопных газов;

- установку для производства жидкой углекислоты (углекислотная установка) 2 из природного газа и выхлопных газов ГПМ 1;

- цистерну (давление - 18 бар, температура углекислоты - минус 70°C, объем) 3 типа РДХУ, предназначенную для хранения жидкой углекислоты;

- воздушный испаритель типа ИС 0190-С (давление 6 бар, температура - плюс 18°C) 4, предназначенный для газификации жидкой углекислоты;

- фреоновые холодильные агрегаты 5 типа AEZ, CAE, CAJ, ФА2000, предназначенные для поддержания давления в цистерне 3 на уровне 18 бар посредством конденсации;

- устройство для газификации 6 жидкой углекислоты, представляющее собой систему жиклеров;

- понижающий редуктор 7 (типа РК3, БМ), регулирующий давление газообразной углекислоты в трубопроводе на уровне 4÷8 атм (используется только в схемах №2, 3);

- предохранительный клапан 8;

- электропозиционер (вентиль типа 066-027-12.000 с электромагнитным клапаном типа СВМ22-15К) 9, предназначенный для регулировки давления жидкой углекислоты в диапазоне от 0 до 2000 ppm; используется только в схеме №1 (только для жидкости) и связан с системой датчиков концентрации углекислоты в теплице;

- манометры (типа МП3-УУ2 или ДМ2-160-1М, класс точности 1,5) 10 для визуального контроля давления в цистерне 3;

- дренаж 11 - отверстие с вентилем в нижней точке цистерны 3, предназначенное для слива остатков углекислоты и инородных частиц при освобождении цистерны 3 для внутреннего осмотра, освидетельствования или продувки;

- кабель 12 для подвода электроэнергии от ГПМ для работы углекислотной установки;

- трубопровод 13 для отвода дымовых (выхлопных) газов (отходы) из ГПМ в углекислотную установку;

- трубопровод 14 для подачи природного газа в углекислотную установку;

- трубопровод 15 для подачи природного газа в газопоршневую машину.

В Устройстве по 2-му варианту изобретения отсутствуют ГПМ 1 и углекислотная установка 2, однако для доставки в Устройство необходимого количества жидкой углекислоты используется транспортная емкость 16 и насос 17 (производительность 10 м³/ч) для перекачки жидкой CO₂ из транспортной емкости 16 в цистерну 3.

Для обоих вариантов заявленного Устройства подачу газообразной углекислоты в теплицу из цистерны 3 возможно производить по трем схемам, переключаемым в автоматическом режиме в зависимости от необходимой оптимальной концентрации углекислоты в теплице.

ПЕРВАЯ СХЕМА (оба варианта Устройства)

Жидкая углекислота из цистерны 3 под давлением 18 бар по технологическому трубопроводу подается на электропозиционер 9 и далее на устройство газификации 6 в виде системы жиклеров, откуда уже газообразная углекислота поступает в теплицу. При этом газификация жидкой углекислоты перед подачей газообразной углекислоты непосредственно в теплицу осуществляется при температуре до +15 С°.

ВТОРАЯ СХЕМА (оба варианта Устройства)

Газовая фаза CO₂ из цистерны 3 под давлением менее 10 бар по технологическому трубопроводу через отключенный электропозиционер 9 подается на понижающий редуктор 7, откуда под давлением 6 атм через отключенное устройство газификации 6 в виде системы жиклеров поступает в теплицу.

ТРЕТЬЯ СХЕМА (оба варианта Устройства)

Жидкая углекислота из цистерны 3 под давлением 18 бар проходит по технологическому трубопроводу через воздушный испаритель (без электроподогрева) 4, где газифицируется. Далее газообразная углекислота через отключенный электропозиционер 9 подается на понижающий редуктор 7, откуда под давлением 6 атм через отключенное устройство газификации 6 поступает в теплицу.

Применение той или иной схемы транспортировки газообразной углекислоты в теплицу обусловлено степенью концентрации газообразной углекислоты, необходимой растениям в данное определенное время года и суток в теплице. Оптимальная концентрация газообразной углекислоты в теплице обеспечивается системой КИПиА (система «Прива», электромагнитный вентиль, тензометрические датчики и др.), которая также предусматривает защиту от замораживания (падение давления) жидкой фазы CO₂ в цистерне 3 и определяет (по уровнемеру) ее количество в цистерне 3 в режиме онлайн.

1. Устройство обеспечения теплицы газообразной углекислотой, содержащее технологический трубопровод с подключенными к нему резервуаром для длительного хранения углекислоты (РДХУ), устройствами для газификации жидкой двуокиси углерода в виде воздушного испарителя и системы жиклеров, редуктором и электропозиционером для регулировки давления жидкой углекислоты, и обеспечивающее подачу газообразной углекислоты в теплицу посредством транспортировки жидкой углекислоты из РДХУ под давлением 18-22 бар через электропозиционер и далее на устройство газификации в виде системы жиклеров, откуда газообразная углекислота поступает в теплицу, или посредством транспортировки газообразной углекислоты из РДХУ под давлением 10-18 бар через отключенный электропозиционер на понижающий редуктор и далее под давлением 6-8 атм через отключенное устройство газификации в виде системы жиклеров в теплицу, или посредством транспортировки жидкой углекислоты из РДХУ под давлением 18-22 бар на устройство для газификации в виде воздушного испарителя, откуда газообразная углекислота через отключенный электропозиционер подается на понижающий редуктор и далее под давлением 4-8 атм через отключенное устройство газификации в виде системы жиклеров поступает в теплицу.

2. Устройство по п. 1, которое дополнительно содержит соединенную с РДХУ установку для производства жидкой углекислоты из природного газа и дымовых газов газопоршневой машины.

3. Устройство по п. 1, которое дополнительно содержит транспортную емкость и насос для перекачки жидкой CO₂ из транспортной емкости в РДХУ.

4. Устройство по п. 1, в котором при подаче газообразной углекислоты в теплицу по первой схеме газификация жидкой углекислоты осуществляется при температуре до +15 С°.

5. Устройство по п. 1, в котором электропозиционер представляет собой вентиль с электромагнитным клапаном.

6. Устройство по п. 1, в котором РДХУ снабжен манометрами для визуального контроля давления в нем углекислоты.

7. Устройство по п. 1, которое дополнительно содержит холодильные агрегаты, предназначенные для поддержания давления углекислоты в РДХУ.