ВЕГЕТАЦИОННАЯ КЛИМАТИЧЕСКАЯ КАМЕРА Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 621.320

ВЕГЕТАЦИОННАЯ КЛИМАТИЧЕСКАЯ КАМЕРА

В.А. Кожухов, А.В. Себин, А.Ф. Семенов

Разработана вегетационная климатическая камеры для проведения исследований влияния физических и климатических факторов внешней среды на растительные организмы. Может быть использована для повышения эффективности селекционной работы и моделирования режимов регулируемого микроклимата в теплицах.

Ключевые слова: микроклимат, капельный полив, сплинклерное орошение, подкормка углекислым газом.

Вегетационная климатическая камера (ВКК) предназначена для выращивания растений в регулируемых искусственных условиях.

ВКК позволяет проводить исследования влияния физических и климатических факторов внешней среды на растительные организмы, в том числе:

- для проведения фундаментальных научных исследований по созданию эффективных энергосберегающих технологий выращивания овощной продукции в открытом и защищенном грунте;

- для повышения эффективности селекционной работы;

- для моделирования режимов регулируемого микроклимата в теплицах;

- для организации учебного процесса в средних и высших учебных заведениях;

- для ограниченного выращивания сельскохозяйственной продукции в целях потребления.

На рисунке 1 приведена блок-схема ВКК.

Рисунок 1 - Блок-схема ВКК для проведения исследований

Двойная стрелка в системе аккумулирования предполагает двухстороннюю передачу тепловой энергии.

На рисунке 2 представлена ВКК, разработанная на кафедре теоретических основ

электротехники Красноярского Государственного Аграрного университета.

Рисунок 2 - Внешний вид вегетационной климатической камеры

I - блок аккумулирования тепла, 2 - радиатор, 3 - блок кондиционирования, 4 - генератор тумана системы капельного полива,

5 - сатуратор с генератором тумана, 6 -реле управления блоком освещения, 7 - информационно-измерительный блок и система управления, 8 - ВКК, 9 - блок освещения, 10 - система сплинклерного орошения,

II - система капельного полива, 12 - электроклапан системы подкормки СО2, 13 -

электроклапан подачи СО2 в сатуратор, 14 - редуктор системы подкормки СО2, 15 -редуктор подачи СО2 в сатуратор, 16 -баллон СО2.

Конструкция ВКК выполнена в виде функциональных блоков, выполняющих определенную работу в процессе всего вегетационного периода выращивания растений. Блок освещения (БО) БО включает в себя три группы люминесцентных ламп специального назначения Osram Fluora 77 мощностью 36 и 18 Вт.

Эти лампы отличаются от ламп общего назначения только покрытием на стеклянной колбе. За счет этого спектр ламп приближен к спектру, который требуется растениям (рисунок 3, рисунок 4).

ш

J

I

Вегетационная климатическая камера -Радиатор | ¡Вентилятор^-;-

■Шлок освещения |

|Сплинкперное орошение]^-

]^|Отопительно-охлад ительный блок]/

Капельный полив ]

у *

1

¡Информационно-измерительный блок и система управления]

Рисунок 3 - Спектр люминесцентной лампы Osram Fluora 77

обеспечиваются двумя независимыми таймерами, для каждого из которых можно задать свою программу, представляющую собой повторяющееся заданное число циклов. УТ24 имеет 3 входа для подключения внешних сигналов управления таймерами.

Рисунок 4 - Спектр поглощения хлорофилла

В результате процесса фотосинтеза, происходящего в растениях, создается около 95% органической массы урожая и аккумулируется вся энергия, накапливаемая в растении. Спектральный состав света очень важен для растений. Ультрафиолетовые лучи (длина волны -380 - 400 нм) благоприятны для рассады и нежелательны в период активной вегетации и плодоношения. Оранжевые лучи (595-750 нм) способствуют интенсивному накоплению биомассы и раннему цветению. При преобладании в спектре сине-фиолетовых лучей (400-490 нм) активизируются процессы плодоношения, развитие листьев и рост растений. Желто-зеленые лучи наименее поглощаемы растениями, под их влиянием увеличивается расход энергии на дыхание. Наименее благоприятна для растений инфракрасная радиация (750 нм), вызывающая перегрев и иссушение растений. Подбором спектра, чередованием длительности светлого и темного периодов можно ускорить или замедлить развитие растений, сокращать вегетационный период и т.д. [1]

Функцию управления световым режимом в ВКК выполняет двухканальное микропроцессорное реле времени ОВЕН УТ24, которое используется в качестве программного автомата и позволяет управлять и контролировать до 30 временных процессов. Функциональные возможности прибора (рисунок 5)

Рисунок 5 - Функциональная схема прибора УТ24

В УТ24 устанавливаются два однотипных выходных устройства (ВУ1 и ВУ2): э/м реле 8А 220В; оптотранзисторные ключи 200мА 50В; оптосимисторы 50мА 300В.

Блок аккумулирования излишков тепловой энергии в теплице (БАТ)

Функциональная схема БАТ представлена на рисунке 6. БАТ состоит из бака накопителя тепловой энергии 1, теплообменника 5, размещенного в вКк 4 и вентилятора 3. Система снабжена циркуляционным реверсивным насосом 2, датчиками температуры ТЕ1, ТЕ2, ТЕ3.

Рисунок 6 - Функциональная схема БАТ

Физической основой работы устройства является эффект стратификации - неравномерного нагрева слоев воды в баке накопителе. Работа БАТ заключается в следующем: при поступлении сигнала с датчика температуры ТЕ3 о перегреве в ВКК включается циркуляционный насос 2, подающий холодную воду из нижней части бака в теплообменник 5. Нагретая в теплообменнике вода с помощью циркуляционного насоса 2 подается в верхнюю часть накопительного бака. После снятия излишков тепла система автоматически выключается. Для отъема тепла от теп-

лоаккумулятора циркуляция воды производится в обратном направлении путем изменения режима работы насоса.

В качестве вентилятора использован ^0615В1Н с рабочим напряжение 12 В, частотой вращения 4500 об/мин, током 0,19А и производительностью 0,61 м. куб./мин.

Блок кондиционирования воздуха (БК) Внутренний и внешний блоки БК находятся в одном корпусе и соединены между собой трубопроводами, образующими замкнутую систему, в которой находится холодильный агент. Функциональная схема БК приведена на

рисунке 7.

Рисунок 7 - Функциональная схема БК

Наличие в системе холодной (испаритель) и горячей (конденсатор) частей позволяет использовать БК как для охлаждения ВКК, так и для нагревания простым изменением направления забора воздуха от того или иного радиатора.

Система капельного полива почвы и спринклерного орошения листвой поверхности (СП)

Для функционировании системы ультразвукового диспергирования фертигационного раствора для капельного полива почвы и спринклерного орошения листвой поверхности применены ультразвуковые генераторы тумана (УЗГ) Fogstar 100/300/600.

Данные излучатели работают в составе установки для получения тумана.

Спринклерное орошение дает возможность иметь низкую интенсивность орошения, что позволяет оптимизировать абсорбцию воды и питетельных веществ листовой поверхностью растений.

Европейские овощеводы рассматривают подкормку углекислым газом в течение всего периода выращивания растений - от появления всходов до прекращения вегетации - как обязательный элемент современной интенсивной технологии выращивания томата, огурца и сладкого перца.

При достаточной обеспеченности элементами минерального питания, эти подкормки всегда повышают общую урожайность этих культур на 15 - 40%, увеличивая количество и массу плодов, и ускоряют их созревание на 5-8 дней. Прирост биомассы зеленых культур при подкормках СО2 существенно увеличивается: к примеру, урожайность салата повышается на 40%, созревание ускоряется на 10-15 дней. [1]

В ВКК (рисунок 2) используются две схемы подкормки углекислым газом. По первой схеме углекислый газ из баллона через управляемый электромагнитный клапан 12 подается по системе сприклерного орошения 10 в зону роста растений.

По второй схеме подкормки углекислый газ через электромагнитный клапан 13 поступает в генератор тумана 5 (рисунок 2), работающий в режиме сатуратора (рисунок 8), аппарата для газирования - насыщения воды углекислым газом. Газ продавливается через слой жидкости с помощью труб с мелкими отверстиями (3-6 мм), называемых барботе-рами. При барботировании создаётся большая межфазная поверхность на границе «жидкость-газ», что способствует интенсификации тепло- и массообменных процессов, а также более полному химическому взаимодействию газов с жидкостями. [2]

Туман

Рисунок 8 - Схема установки для получения тумана в режиме сатуратора вентилятор, 2 - ультразвуковой излучатель, 3 - барботажная насадка, 4 - клапан, 5 - Емкость с водой

В этом режиме наложение ультразвуковых колебаний на двухфазную систему способствует турболизации местных потоков, увеличивает местное перемешивается и тем самым в значительной степени ускоряет поглощение углекислого газа водой. Такой тех-

5

4

нологический прием увеличивает скорость поглощения СО2 не мение чем в 3 раза. [3]

Далее газированная вода подвергается обработке ультразвуком, и в виде мелкодисперсной смеси воды и углекислого газа идет на подкормку растений.

Переключение электромагнитного клапана выполняется по сигналу системы управления концентрацией СО2 в зависимости от влажности воздуха и содержания углекислого в ВКК.

Контроль концентрации СО2 осуществляется измерителем уровня углекислого газа типа СО112, имеющий следующие технические характеристики:

Единицы измерения ppm

Диапазон измере- от 0 до 5000 ppm ния

Погрешность ±3% от показаний или ±50 ppm

Типдатчика Электрохимический датчик

Разрешение 0,1 ppm

Окружающая среда Воздух и нейтральный газ

Данный датчик имеет унифицированный выход, что позволяет легко совместить его с ПК для передачи показаний.

Информационно-измерительный блок (ИИБ)

Этот блок представляет собой персональный компьютер и ряд датчиков с анало-гово-цифровыми преобразователями (АЦП), что позволяет отображать на экране, сохранять и обрабатывать получаемые с датчиков данные. Используя возможности цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) с помощью компьютера возможно управление процессами, происходящими в ВКК.

Датчики температуры ТЕ1 - ТЕ3 представляют собой термопары со стандартной градуировкой, что позволяет легко совместить их с АЦП. Кроме термопар используются комбинированные компактные датчики температуры и влажности c интерфейсами RS232 или RS485 и протоколом MODBUS RTU, что позволяет использовать их с помощью стандартного приложения HyperTerminal (Windows) (Рисунок 9).

В составе ИИБ используется цифровой мультиметр с АЦП MAS345. Стандартное программное обеспечение данного прибора позволяет кроме отображения данных на экране строить график изменения параметра в реальном времени, а так же сохранять данные в виде таблиц, что является очень удобным для дальнейшего использования их, например, для формирования векторов нейросетевого регулятора (рисунок 10).

1 r PMU • HypeiTerminal Jnl

ßatd Be<*be<en ¿nscht Aßui Übertragung 2 Щ ©|S| Щ

< Ve @T-028.6:000 @T;-028.6;000 @T; <-028.6:000 @T; +028.7; fl00 @T-028.8:000 1 1 rbunden 00 03:24 027.2;000¡00251979;83 027.2;P00;0O251979;83 027.1;000:00251979;84 027.1;000:00251979;83 027.0;fi00;00251979;83 __ / Autom. Erkern [96008-N-1

Рисунок 9 - Комбинированные датчики температуры и влажности c интерфейсами RS232 и считывание информации с него по средствам стандартного приложения HyperTerminal

Рисунок 10 - Работа цифрового мульти-метра MAS345 в качестве АЦП в составе информационно-измерительного блока (ИИБ)

Система автоматического регулирования концентрации двуокиси углерода состоит из системы управления концентрацией диоксида углерода, отслеживающей содержание СО2 в теплице, а при уменьшении концентрации ниже требуемого уровня подает сигнал установке рекуперации СО2.

На рисунке 11 показана пекинская капуста (кочанный салат), выращенная по обычной технологии (справа) и с применением

капельного фертигационного полива и сплин-клерного орошения с подкормкой углекислым газом (слева).

Рисунок 11 - Пекинская капуста, выращенная по различной технологии 1 - радиатор системы аккумулирования, 2 - система освещения, 3 - вентилятор системы аккумулирования.

Использование данной технологии позволяет получить прирост урожая в среднем в 1,5-2 раза.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гиль Л.С. Современное овощеводство закрытого и открытого грунта. Практическое руководство. / Л.С. Гиль, А.И. Пашковский, Л.Т. Сулима; Житомир: "Рута", 2012. - 468 с.

2. Рамм В. М. Абсорбция газов. / В. М. Рамм ; Изд. 2-е, переработ. и доп. М., "Химия", 1976. -656 с.

3. Хмелев В. Н. Применение ультразвука высокой интенсивности в промышленности. / В. Н. Хмелев, А.Н. Сливин, Р.В. Барсуков, С.Н. Цыганок, А.В. Шалунов; Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. - 203 с.

Кожухов В.А. - к.т.н., доцент кафедры «ТОЭ» Красноярского государственного аграрного университета, тел. (391)2472976, E-mail: [email protected] Себин А.В. - ассистент кафедры «ТОЭ» Красноярского государственного аграрного университета, тел. (391)2472976, E-mail: [email protected] Семенов А.В. - к.т.н., доцент кафедры «ТОЭ» Красноярского государственного аграрного университета, тел. (391)2472976, E-mail: [email protected]