CN102812887A - 一种利用空气热动力实现自动灌溉的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用空气热动力实现自动灌溉的方法，通过使一个密封空气室内的空气温度随环境气温变化，并与储水的储水箱相连通；当白天气温上升时，空气室空气受热膨胀，迫使储水箱的水流向灌溉头进行灌溉；当晚上气温下降时，空气室空气冷却收缩形成负压，迫使储水箱从外部水源进行吸水。本发明既不需要输入外部动力，具有节能环保的意义，而且能够根据白天和夜晚的阳光和气温的变化，自动调整灌溉状态，更好的符合植物生长的需要。

Description

一种利用空气热动力实现自动灌溉的方法

技术领域 本发明涉及一种用于农业灌溉的灌溉方法。

背景技术 现有的人工灌溉技术，不管是将水从水源直接泵送到灌溉管网进行灌溉，或是将水从水源泵至高处的储水箱，再从储水箱通过重力输送向灌溉管网，都离不开动力(电力或发动机等)，这既增加设备投资，也浪费能源。

另外，对于大多数植物，每天的不同时刻对水分的需求是不同的：白天特别是阳光充足时需要更多的水分来进行光合作用，而夜晚或阴天时需要的水分较少，甚至在夜晚保持土壤水分较少还能迫使其根部更好的向土壤深层生长发育。采用人工来控制灌溉，使灌溉的水分符合植物的需要，既麻烦成本又高。

发明内容 本发明目的是公开这样一种灌溉方法，它利用气体热动力来实现灌溉，且能自动调整灌溉的水量以符合植物在白天和夜晚的生长需要。

本发明的方法是：在室外设置一个密封的空气室，通过热传递空气室内的空气温度能够随室外环境气温而变化；设置一个储水的储水箱，储水箱顶部与空气室相连通，储水箱的底部连接有导水管；当环境气温上升时，空气室里面空气受热膨胀，迫使储水箱里面的水由导水管流向送水管和灌溉头进行灌溉；当环境气温下降时，空气室里面空气冷却收缩形成负压，迫使储水箱通过导水管和进水管从水源进行吸水。

为了确保水的单向流动，在导水管与送水管之间连接有一单向阀，使水只能从导水管向送水管流出；在导水管与进水管之间连接有另一单向阀，使水只能从进水管向导水管流进。当然，单向阀也可以改为电磁阀进行控制。

空气室通过箱体内外壁的热传导和热辐射，来实现内面空气与外面环境的热传递，使里面的空气温度随外面的环境温度升高而升高，随环境温度降低而降低。而为了提高空气室的空气温升，可在空气室的箱体外壁，设置有助于吸热的表层，比如使外壁具有黑色表层，更好的吸收阳光使空气室在阳光照射下温升更大。或者将空气室箱体由透明材料构成，并使内壁具有黑色表层，使阳光能够照射到内壁并容易被内壁吸收，起到温室效应，温升更大。并可在空气室箱体内壁，连接有竖立设置的金属散热片。散热片有助于箱体内壁与内部空气进行热交换，也有助于使空气上下传热保持空气室的空气温度上下均匀。

使用时，进水管连接到水源，送水管连接到灌溉头。空气室与储水箱构成双向自动泵的功能：白天气温上升时，空气室的空气受热膨胀，将储水箱的水通过导水管和送水管压向灌溉头，对植物进行灌溉；夜晚气温下降时，空气室空气受冷收缩形成负压，通过导水管和进水管从水源吸水进来补充。白天阳光越强烈，则空气室温升越高，灌溉给植物的水就越多以满足植物旺盛的光合作用需要；而碰到阴天或下雨时，即使是白天，但由于气温没有温升甚至气温下降，则空气室也不会膨胀，不会进行灌溉以免造成水的浪费。

本发明的方法利用气温变化所产生的气体热动力来实现吸水和灌溉，既不需要输入外部动力，具有节能环保的意义，而且能够根据白天和夜晚的阳光和气温的变化，自动调整灌溉状态，更好的符合植物生长的需要。将雨水收集作为水源，则可构成一个免动力的雨水灌溉系统，具有极其显著的节能环保意义。本发明适合农业灌溉，更适合园林花园的绿化和花卉灌溉。

本发明输送出的水压较低，适合于普通地表灌溉、地表滴灌和根部滴灌等，而不适合于喷洒灌溉，也不适合冬天外面气温低至会冰冻时使用。

附图说明 图1是本发明工作原理图。图2是空气室和密封箱的结构示意图。

具体实施方式 下面根据附图，对本发明的实施例进行说明。

图1中，空气室1、储水箱2可以是圆柱形或其他形状，采用不透气材料如塑料制造，箱体是非弹性的，在光照和压力下都保持固定形状。储水箱2顶部通过导气管3与空气室1相连通。使用时空气室安装在室外需要灌溉的植物的附近，并能被太阳光所直射到。空气室的内壁和外壁，能够慢慢地通过热传导和热辐射，与内面和外面的空气进行热交换，使空气室里面的空气温度，随着空气室外界的环境温度升高而升高，随着外界的环境温度降低而降低。

储水箱2底部设置有导水管4；导水管4通过一单向阀5连接到进水口6，通水管4同时通过另一单向阀7连接到出水口8。单向阀5使水只能从进水口流进，单向阀7使水只能向出水口流出。单向阀为现有技术。

进水口6通过进水管9连接到水源10，出水口7通过送水管11连接到灌溉头12。水源可以是天然水源，或雨水收集池，或人工水源。灌溉头12用于对植物慢慢给水灌溉，可以是一个小孔，或者地表滴灌，或根部滴灌等。灌溉头可以是一个，或是多个组成灌溉网。这些是现有技术。

空气室和储水箱的大小，根据所需灌溉的水量，和灌溉所在地的气温变化幅度而定。这里给出一组设计数据，并以此来说明本发明的工作原理。

设定空气室1内部容积为100升。设定储水箱2为圆柱体，内直径为500mm，即0.5米，内部高度为150mm，即0.15米，即储水箱的内部容积约为30升。安装使用时，先往储水箱内部预置注入一定量的水，比如20升水。(可以在未连接导气管3和导水管4前，通过导气管或通过导水管注入水后，再连接好导气管和导水管)。20升水在储水箱大约占有100mmm即0.1米水柱的高度。由于储水箱和空气室都是密封体，所以储水箱的水只有极少量由于重力而从出水口8流出，之后空气室因此形成负压，该负压跟水柱的水压形成平衡，使水无法继续流出，(0.1米高度水柱所产生的水压，只相当于大约10米水柱高度的标准大气压强的1％，所以大约只有1％的极少量的水流出)。之后如果没有其他外力的作用，则储水箱会保持这种平衡状态。

但由于空气室1安装在室外，室外的气温除了阴天和雨天，每天在不同时间存在变化过程。一般在凌晨5点左右环境气温最低，比如是15度，这时经过长时间散热空气室里面的空气温度基本等于外面的环境气温15度，即绝对温度值T1＝273+15＝288K(开尔文)；而下午3点左右环境气温最高，比如是25度，由于空气室外面被阳光所直接晒射，而里面空气室又是密封的，所以这时空气室的空气温度要比外面环境气温高很多，大约在35至40度以上，按35度计算，即绝对温度值T2＝273+35＝308K；也即空气室的空气温度存在从288K到308K的20K的温度变化。根据气体热力学的理论，空气室里面密闭空气的温度T、压强P和体积V有以下关系：P1V1/T1＝P2V2/T2，其中P1、V1为T1＝288K时的压强和体积，P1接近于大气压强，V1约等于初始体积80升，P2、V2为T2＝308K时的压强和体积。由于储水箱的水能够通过进水口或出水口流动，所以P1和P2的变化很小，可认为P1近似等于P2，于是可近似有V2＝V1T2/T1＝100×308/288≈107升。也即空气室的气温从凌晨最低15度上升到下午最高35度时，其密闭空气的体积会从100升受热膨胀至约等于107升。膨胀的空气会通过导气管流向储水箱，压迫储水箱的水，迫使水慢慢从导水管4、单向阀7、出水口8通过送水管11流向灌溉头12，对植物进行灌溉。流出的水量也即灌溉量理论值为107-100＝7升。实际使用中由于空气不是理想气体，灌溉量会有所差别。

而当下午过后，环境气温开始下降，空气室反过来向外面空气散热，空气室里面的空气温度也会从最高的35度，重新慢慢下降至凌晨的15度，并由于温度下降而收缩形成负压，通过导气管将储水箱里面的空气重新吸回来，由于单向阀7反向关闭而单向阀5打开，所以储水箱的负压将通过导水管4、单向阀5、进水口6通过进水管9从水源10将水吸到储水箱里面，补充白天灌溉所流出的水。如果温度重新回到15度，那么吸进的水量刚好等于白天流出的水量。

所以，本发明的空气室和储水箱结合起到一个双向自动泵的功能：白天气温上升时，空气室的空气受热膨胀，将储水箱的水通过送水管压向灌溉头，实现灌溉作用；夜晚气温下降时，空气室空气受冷收缩形成负压，使储水箱通过进水管从水源吸水进来补充；白天阳光越强烈，则空气室的温升越高，灌溉给植物的水就越多；而碰到阴天或下雨时，即使是白天，但由于气温没有温升甚至气温下降，则空气室也不会膨胀，不会进行灌溉以免造成水的浪费。

空气室空气的体积变化ΔV＝V1ΔT/T1，主要取决空气室容积和空气的温差，与绝对气温关系较小，只要气温不会低至使水冰冻，系统都可工作。灌溉量可以通过改变空气室容积和储水箱储水量来调整。而使储水箱的口径较大而高度较小，更能忽略自身水柱压强的影响，使工作更接近于理想状态。

由于气温的变化是非常缓慢的，空气室箱体内外壁跟空气通过热传导和热辐射，基本能满足热交换的需要，即使有点滞后也不影响工作。如果想更好提高空气室的温升，可在空气室的箱体外壁，设置有助于吸收热辐射的表层。比如使外壁具有黑色表层，更好的吸收阳光，使阳光照射下空气室温升更大。或者将空气室的箱体由透明材料构成，并使内壁具有黑色表层，使得阳光能够照射到内壁并容易被内壁所吸收，起到温室效应，温升更大。也可在空气室的箱体内壁，连接有竖立设置的金属散热片13，如图2。散热片有助于箱体内壁与空气进行热交换，也有助于使空气上下传热保持空气室里面的空气温度均匀。

经过改进，能够在同样环境条件下使空气室空气的温差达到30度以上，使上述设计数据的密封箱每天送出的灌溉量在10升左右，提高了效率。

而为了减少储水箱里面的水的水温随气温而变化，可将储水箱2的箱体外部，采用遮光层14进行遮光和隔热处理，如图2。储水箱的安装高度，最好是使里面的储水的高度略高于灌溉头的高度。

按照本发明的工作原理，空气室和储水箱为不透气的密封体，但为了加工和安装的方便，也可设计为可拆卸的结构，只要安装后保证其密封性。另外，可在储水箱2顶部设置有通气管15，通气管15带有可拆卸的密封帽16。在储水箱安装使用需要预置注入一定量的水时，可打开密封帽16，通过通气管15向外抽气，使储水箱形成负压通过进水口吸入所需要的预置的水。然后再盖好密封帽16，使储水箱保持密封。该方式能够方便于系统的安装和启动使用。

Claims (6)

1.一种利用空气热动力实现自动灌溉的方法，其特征在于：在室外设置一个密封的空气室，通过热传递空气室内的空气温度能够随室外环境气温而变化；设置一个储水的储水箱，储水箱顶部与空气室相连通，储水箱的底部连接有导水管；当环境气温上升时，空气室里面空气受热膨胀，迫使储水箱里面的水通过导水管流向灌溉头进行灌溉；当环境气温下降时，空气室里面空气冷却收缩形成负压，迫使储水箱通过导水管从水源进行吸水。

2.根据权利要求1所述的一种利用空气热动力实现自动灌溉的方法，其特征在于：在导水管与灌溉头之间设置有一单向阀，使水只能从导水管流向灌溉头；在导水管与水源之间设置有另一单向阀，使水只能从水源流向导水管。

3.根据权利要求1所述的一种利用空气热动力实现自动灌溉的方法，其特征在于：所述空气室的外壁，设置有有助于吸收太阳光热辐射的表层。

4.根据权利要求1所述的一种利用空气热动力实现自动灌溉的方法，其特征在于：所述空气室的箱体由透明材料构成，内壁设置有黑色表层。

5.根据权利要求1或权利要求3或权利要求4所述的一种利用空气热动力实现自动灌溉的方法，其特征在于：所述空气室的箱体内壁，连接有竖立设置的金属散热片。

6.根据权利要求1或权利要求3或权利要求4或权利要求5所述的一种利用空气热动力实现自动灌溉的方法，其特征在于：所述空气室设置有通气管，通气管带有可拆卸的密封帽。

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