CN105188343B - 针对灌溉施肥应用的连续干燥颗粒物质注入装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及连续干燥颗粒物质注入装置(1)，并且更具体地，涉及用于在灌溉施肥应用中使用的装置，其中，使诸如肥料的可溶性物质悬浮和/或溶解于灌溉水中，以便将灌溉系统和灌溉水用作针对可溶性物质，特别是可溶性肥料的递送系统。为此，装置包括：至少一个供料装置(2)，适合于供给颗粒物质，并且，通过第一连接管道(3)连接至位于第一连接管道(3)下方的竖直地定位的浆料混合腔室(5)的顶部；以及加压混合罐(12)，通过第二连接管道(8)连接至浆料混合腔室(5)的底部。装置以连续循环运转。

Description

针对灌溉施肥应用的连续干燥颗粒物质注入装置

技术领域

本发明涉及连续干燥颗粒物质注入装置，并且更具体地，涉及用于在灌溉施肥应用中使用的装置，在灌溉施肥中使诸如肥料的可溶性物质悬浮和/或溶解于灌溉水中，以便将灌溉系统和灌溉水用作针对可溶性物质，特别是可溶性肥料的递送系统。

背景技术

在世界的有些地方，水逐渐成为稀缺资源，并且，为了供给日益增长的世界人口，适当的水管理逐渐成为重要的焦点区域。另外，根据农作物需要而施用植物养分和添加剂是至关重要的，并且，有文献详细地记载了灌溉水作为针对植物养分的递送系统的使用(灌溉施肥)使总体农作物性能优化(参见例如2011年5月公布的来自FW Enviro有限责任公司的US 7937187)。其中，灌溉施肥的好处包括： 1)以诸如肥料和农作物补充剂的投入物质的均匀分布和精确放置的形式均匀施用；2)适时施用，其中投入物质可典型地无论天气或田地状况如何而被施用；3)降低施用成本，使得施用成本是常规的施用方法的成本的大约三分之一；4)使用少但精确地直接递送一定量的投入物质至根区的适时施用的改进的农作物管理允许种植者有效地管理投入物质方案，这保存投入物质，省钱并使产量和质量优化；5)通过减少田地里的拖拉机和装备运输来减少土壤压实；6)通过减少操作者对潜在地危险的物质的处理、混合以及分配而使工人对化学品的暴露极小化，其中人和非目标的农作物不暴露于因疏忽造成的化学品漂移；7)在所使用的灌溉施肥装置适当地设计并校准为包括具有推荐的安全装置以帮助保证环境质量时，减少环境污染；8)能够在农作物已从地面冒出之后，对边缘耕作区域进行施肥，而不是在农作物出苗之前添加投入物质并将钱浪费在未使用的补充剂上。

常见的灌溉施肥系统一般包括将水运送至农作物的一组加压管、将水分配给农作物的滴灌和/或喷射装置、针对农作物投入物质(一般为肥料)的存储和配量设施、必要的泵、阀和传感器以及控制系统的中央处理单元。

能够以适于农作物的目前生长阶段的浓度和肥料配比在连续的基础上将肥料添加至水。这是肥料以典型地0.1-0.05重量百分比的浓度施用至水中而到达农作物的集约化种植系统中的习惯作法。然而，需要注意，未溶解的颗粒的总量低，因为太高的量可能堵塞且阻塞滴灌和/或喷射装置并降低灌溉施肥系统的效率。

在现有技术的灌溉施肥系统，诸如US 7937187中所描述的系统中，在第一步骤中，浓缩液体肥料溶液或干燥水溶性粒子首先溶解于浓缩储液(典型地10-30%)中，该浓缩储液随后稀释(典型地以1:100的比)，并且在第二步骤中，通过泵或文丘里(Venturi)型系统注入加压水系统中，以适应对于植物要求而言正确的浓度。现有技术的系统是劳动密集型的，需要从大块颗粒物质溶解并制备储液的重复的工作过程。由于大多数肥料能以固体、颗粒的形式获得，因而在施用可溶性投入物质的情况下，将感兴趣的是，在组合的溶解和注入器单元中将溶解和注入步骤组合，并因此在灌溉施肥系统中直接地使用干燥颗粒固体，而没有一般手动地完成的使前述颗粒固体(特别是肥料)首先溶解于储液中的步骤。

EP 1 749 443公开了一种喷雾器，其具有设置用于再混合且用于将成颗粒的或成粉末的活性成分转换成液体形式的再混合室(I、II)。再混合室通过连接线(12)而与用于接收载送流体的容器(1)连接。再混合室通过另一连接线(10、18)而与包含活性成分的容器(9)连接。再混合室通过连接线(16、17)而与混合室(5)连接。

US 6 173 732公开了一种化学品供给系统，其用于将液体或包括肥料、杀虫剂以及除草剂的100%水溶性固体化学品添加至高于或低于地平面的草坪洒水器系统。系统具有包含可移除式海绵过滤器的一个或两个竖直地定向的混合室。废水管通过可调整式流量计阀而附接至再循环用混合室的底部。带有截止阀和单向止回阀的排水管通向主洒水器系统。

US 2004/0042335公开了用于以确保材料的可预测、高度地准确的且一致的施用的方式将干燥材料引入流体流中的设备和方法，其中，流体流可以是固定的或可变的，其中材料以干燥块体形式且可以是高度地可溶性或近似地可溶性，并且以连续地且自动地调整施用速率，从而除了变化的流体流速或化学成分之外，还补偿变化的材料块体密度的方式处理并计量，以便始终提供精确的流体处理水平。本发明将存储大量的干燥过程修正方案的必要的手段作为设备和过程的集成的且无尘的功能而并入，并且能够响应于密度、流体流速和/或化学成分的变化而实时地监测并调整料位和引入速率。

EP 2 289 301 Al(来自Melcart Projects并公布于2011年3月)描述了用于在园艺/业余爱好区中使用的针对固体颗粒肥料的组合的溶解和注入系统，其中，固体肥料设置于密封地封闭的容器中，该容器随后通过刺穿底部而连接至灌溉施肥系统，填充有来自从灌溉管线分支的旁路的加压水，并且该容器在恒定的压力下将它的内含物通过文丘里型注入器而注入灌溉管线中。这样的系统不适合于注入不同的量的肥料、不同的类型的肥料或不同的类型的肥料的混合物以及以变化的速率注入。此外，该装置仅在压力侧运转，使得有必要将整个容器加压至高达灌溉管线的运转压力。

US 2002/0186614 Al(来自J.P.Millward并公布于2002年12月)描述了针对固体颗粒肥料的溶解系统，该溶解系统包括料斗，该料斗包括倒立式穿孔漏斗，在内侧用水喷射漏斗壁，使得通过穿孔漏斗而将存在于前述漏斗的外侧的给料的粒子冲走，从而在漏斗下面的浆料盘中形成浆料，其中，盘的内含物连续地被泵送至灌溉管线中。构建并维护这样的系统非常麻烦。

存在对将颗粒投入物质作为给料而利用的灌溉施肥系统的需要，该系统易于以连续的方式运转，并且该系统消除或至少减少进入灌溉施肥系统中的未溶解的粒子的量。

发明内容

本发明提供根据所附权利要求中的任一项的用于通过灌溉水供应颗粒投入物质的装置。

具体地，本发明提供一种用于通过灌溉水供应颗粒投入物质的装置，其包括：至少一个供料装置，适合于供给颗粒物质，并且通过第一连接管道连接至位于第一连接管道下方的竖直地定位的浆料混合腔室的顶部，以及加压混合罐，其通过第二连接管道连接至浆料混合腔室的底部，其中，在一个运行循环中：

(a)用于颗粒投入物质的供料装置通过重力来将一定量的颗粒投入物质通过第一竖直连接管道提供给处于大气压力下的浆料混合腔室；

(b)浆料混合腔室是与第一连接水密地隔绝的；

(c)打开浆料混合腔室的底部，并且其内容物被允许通过重力的作用而落入第二连接管道中，其中内容物暴露于加压灌溉水并与加压灌溉水一起从浆料混合腔室冲出而进入加压混合罐中；

(d)浆料混合腔室是与加压灌溉水源隔绝的，并且它的内容物被排出；以及

(e)将所述浆料混合腔室(5)在其顶部再次打开，以便接收新的一定量的颗粒投入物质。

颗粒投入物质应当处于固体状态，具有水溶性，并且以颗粒形式自由流动，优选地提供为具有4mm或更小的颗粒大小的小球。

为了运转，系统至少连接至加压水源，具体地，该加压水源用于它所连接至的灌溉施肥/灌溉系统。

在本申请的上下文中，投入物质意指满足上面的标准、，并能够在灌溉施肥的田地里使用的任何化学或生物物质，诸如但不限于肥料、植物养分、植物补充剂、农业化学品、除草剂、杀菌剂或其他植物保护化学品或以上物质的任何混合物。

装置设计成使任选地包含微细的未溶解的粒子的溶解的颗粒投入物质以可预测的且一致的方式溶解并注入加压灌溉系统中。

在本申请的上下文中，“溶解”意指使大多数(即多于90重量百分比，优选地多于95重量百分比，更优选地多于99重量百分比)颗粒物质优选地在1至10分钟内溶解于任选地包含一些未溶解的粒子的环境条件下的水中。

颗粒投入物质可由料斗、输送带、筒仓等供应，这允许存储大量的投入物质，从而能够将颗粒投入物质通过浆料混合腔室连续地供给至水中，通过阀来操作使得加压水将不会与供料装置中的颗粒投入物质接触。根据一个实施例，供料装置是料斗。根据另一实施例，系统可装备有多于一个供料装置，诸如多于一个料斗，或多于一个筒仓，以该方式，大的量能够准备好使用，或当使用不同的投入物质时，可生产带有不同的化学配方的储液。

根据一个实施例，由阀执行开闭动作，阀优选地为球阀，任选地由水或加压空气提供动力。根据一个实施例，用于操作阀和自动化单元的必要的电可由主电力线或由太阳能电池板提供，因而提高该装置在配置于远程位置时的独立性。

装置设计成连续地反复地重复相同的循环而工作，仅受颗粒物质的可用性限制。通过使用阀对系统的各区段的开闭的序列程序，(阀可任选地由水或加压空气提供动力)，颗粒投入物质将通过重力的作用而掉入腔室中，并且随后掉入装置的加压侧的水中，其中，只要通过主灌溉线中的压力阀的致动来获得旁路中的水压高于主灌溉管道中的水压，就用旁路水流将颗粒投入物质冲入加压混合罐中，以至少作为浆料，最有可能作为浆料和溶解的物质的混合物。

根据一个实施例，第一连接管道、浆料混合腔室以及第二连接管道的直径具有大约相同的内径。显然，传递至浆料混合腔室的颗粒物质的体积应使得最大限度地填满浆料腔室，但不超过浆料混合腔室能够包含的体积。可以通过浆料混合腔室的阀关闭的设置，即阀位于打开位置的时间来控制这样的体积。

根据一个实施例，入口阀和出口阀的功能阀开口分别具有与第一连接管道和第二连接管道大约相同的直径。这允许颗粒物质从第一连接管道容易地且迅速地传递至浆料混合腔室，并进入第二连接管道中，而不留下可能阻塞管道或腔室的材料。

包括正溶解的颗粒投入物质的浆料将由进水搅拌，并取决于溶解速率、不溶性物质的量、温度等而溶解至几乎接近于完成的程度，从而形成浓缩储液。一旦所有可溶性物质都溶解，不溶性物质的较大的粒子就将保留于加压混合罐的底部处。溶解的投入物质和投入物质的非常微细的不溶性粒子将保留在溶液中并将在加压混合罐的顶部处退出加压混合罐。可在将浓缩储液注入主灌溉管道中之前安装过滤器。取决于颗粒投入物质中的不溶性物质的量，必须在定期的基础上清洗加压混合罐。

配量系统能够是测定体积的(每一单位时间注入的浓缩储液的体积的单位)或通过灌溉水的导电率(EC)而监测。对于后者，为了将EC保持在浓缩储液的最佳水平，应当在主线中的注入单元之后安装EC计，以监测如下状况：

a. 阀开/闭的频率，调节储液的配量的速度，或者

b. 调节主灌溉管道上的阀，以便借助于通过主灌溉管道而添加或减少供水来保持EC的恒定的水平。

系统的功能性将取决于入口旁路水与所使用的投入物质或所注入的储液的量的比。投入物质溶解度将不同，但作为参考，比投入物质(诸如肥料物质)更多5至30倍的水应当经过加压混合罐。这应当允许投入物质在加压混合罐中溶解且不作为重的浆料而累积。

在实际的设置中，来自主管道的水与来自加压混合罐的浓缩溶液之间的推荐的比应当是100: 1至10: 1。目标应当是在通过灌溉系统而施用至植物的最终溶液中可能在0.05至1%之间变化的投入物质浓度。

根据本发明的装置将要求取决于肥料的溶解速度的个别的设置的优化，肥料的溶解速度取决于水温、通过加压混合罐的水通过量以及诸如投入物质的物理形状(小球、小颗粒)大小和化学性质的肥料的特性。然而，该优化在技术人员的技术的范围内，并且无需在本文中详细地公开。

附图说明

现在，将在如图1中描绘并在此后描述的一个实施例的基础上阐明本发明。然而，本发明将不限于此，而仅受所附权利要求的范围限制。

在附图中示出用于执行本发明的一个实施例，其中，图1提供根据本发明的装置的布局的透视图。在该图中，各数字指的是以下部件:

1 干燥颗粒物质溶解和注入装置

2 料斗

3 第一连接管道

4 入口阀

5 浆料混合腔室

6 排水阀

7 出口阀

8 第二连接管道

9 旁通导水管

10 压力计

11 主进水管道(主灌溉施肥管道)

12 加压混合罐

13 加压混合罐的出口管道

14 自清洗式过滤器

15 EC计

16 阀。

具体实施方式

参考图1，按照本发明显示了干燥颗粒物质溶解和注入装置1，其通常设计为用于将干燥颗粒物质引入针对灌溉施肥应用的灌溉系统中。

注入装置1包括主料斗2、第一竖直连接管道3、入口液压开闭阀4、被称为“浆料混合腔室”5的竖直管道、液压排水阀6、出口液压开闭阀7、第二竖直连接管道8、设有压力计10的旁通导水管9、主进水管道11、加压混合罐12、加压混合罐的出口管道13、自清洗式过滤器14、EC计15、通过EC而操纵的液压阀16以及带有由水压或空气提供动力以调节阀4、6和7的开/闭频率的阀(未示出)的控制面板。此外，装置可以包括针对来自浆料混合腔室5的污水(浆料)的收集罐、水位调节装置以及将污水注回到灌溉管道中的文丘里型阀或泵送装置，所有这些部件都未在图1中显示，但为技术人员所熟知。

主要原理是以连续的方式将自由流动的颗粒投入物质供给至针对灌溉施肥应用的加压灌溉系统中，优选地，但不限于，将肥料供给至加压水中。料斗和处理干燥颗粒物质的完整的系统的尺寸选定能够按比例缩放，以处理1200 kg的大袋或仅容纳单袋(25 kg)的容量，并且，能够照此适应于安装于EU托盘。这使得装置可移动且通用以配置于田地上，从而用于诸如边缘耕作区域上的小规模耕作施用。

一定量的颗粒投入物质通过重力从可在底部处具有盖以及封闭装置(在图中未绘制)的料斗2供给至入口阀4之前的第一连接管道3中。阀可以是液压球阀，(确定尺寸为适应于管道尺寸的2至4英寸)其打开然后预定量的自由流动的投入物质掉入处于大气压力下的浆料混合腔室5中。腔室可以容纳0.5至3升的投入物质。在几秒后，受编程自动化单元控制，入口阀4关闭，使得浆料混合腔室5与第一连接3水密地隔绝。在序列中的下一个步骤的期间，出口阀7打开，并且加压水流入浆料混合腔室5中，而浆料混合腔室5中的肥料通过重力的作用而掉入第二连接管8中，并与水一起移动至加压混合罐12中。然而，料斗、第一连接管以及浆料混合腔室的相对位置应使得颗粒物质能够在重力的作用下落下，即基本上竖直且在彼此之上，第二连接管的位置是使得它应当将浆料运送至加压混合罐。因此，虽然这样的第二连接管应当包含颗粒物质能够在重力的作用下进入前述管道的区段，诸如直立区段，或前述第二连接管道侧中面的开口，但该第二连接管可能部分地是水平的。只要旁路水流的压力高于主管道中由阀16调节的水，该步骤就运行。这意味着，根据实施例，在阀7打开之前，阀16关闭，并且在阀7关闭之后，阀16再次打开。从浆料混合腔室清空肥料可能花费几秒，然后，出口阀7使浆料混合腔室5与加压灌溉水源隔绝。腔室现在包含加压水(污水)，其包含一些剩余的溶解的颗粒物质。污水中的溶解的颗粒物质的量非常低，但虽然如此，这样的量不应当被浪费，而应当再循环。

在将干燥肥料填充于浆料混合腔室5中之前，必须使水压和水浆混合腔室5释放并恢复至大气压力，因此，必须从腔室排出污水。因此，在腔室的底部处，存在开/闭阀6以从浆料混合腔室5清空污水，优选地，使污水进入分离的存储罐中。

根据一个实施例，装置还包括存储罐以收集并容纳污水液体，并优选地将污水液体注入灌溉施肥系统中。存储罐可容纳50至100升的体积，在进水侧11或在出水侧包含浮阀和文丘里型注入器或将所收集到的污水传递回到水中的简单的泵。存储罐、浮阀以及注入单元未被包括在图1中，这是因为该技术是众所周知的且易于适应。

在关闭阀6之后，通过再次打开入口阀4使得再次将浆料混合腔室5在其顶部打开，以便接收新的一定量的颗粒肥料，从而能够开始接下来的补充剂填充。循环的频率能够在时间上保持恒定(每20至120秒填充一次)，或备选地，由于受在最终营养液中监测到的EC值影响而可调节循环的频率。

在加压混合罐 12的底部处已移动进入罐中的投入物质的浆料将受进水11搅拌并随后溶解。粗的未溶解的粒子将保留于加压混合罐12中的底部处，并且需要在灌溉活动之后移除以避免堵塞。包括细粒(定义为具有低于100微米的直径)的溶解的投入物质将是注入用的浆料/溶液的一部分，细粒悬浮于溶液中，并且，取决于加压混合罐内的流体的速度，细粒将与水一起移动至加压混合罐的顶部13上的出口管道。加压混合罐的估计大小应当是100至1000升。在进入主水管道中之前，浆料/溶液能够经过适应于使用中的灌溉装备的类型(洒水器、枢轴、迷你型洒水器或滴灌器)的带有网的过滤器。当带有溶解的投入物质的水与来自进水管道的水适当地混合时，应当安装主线中的EC计，以监测并调节营养液中的EC水平。在这方面，EC计应当在注入浆料/溶液之前将在线信号发送至阀16，以便调节总水流量并因此调节最终溶液中的EC。

Claims (16)

1.一种用于通过灌溉水而供应颗粒投入物质的装置(1)，包括：

至少一个供料装置(2)，其适合于供给颗粒物质，

第一竖直连接管道(3)，

入口开闭阀(4)，

竖直地定位的浆料混合腔室(5)，其位于所述第一竖直连接管道(3)下方，

排水阀(6)，其连接至所述浆料混合腔室(5)，

出口开闭阀(7)，

第二竖直连接管道(8)，

旁通导水管(9)，

主进水管道(11)，

加压混合罐(12)，其用于溶解离开所述浆料混合腔室(5)的颗粒物质，

出口管道(13)，

并且，其中，

所述第一竖直连接管道(3)在一端连接至所述供料装置(2)并且在另一端连接至所述竖直地定位的浆料混合腔室(5)，

所述入口开闭阀(4)位于所述第一竖直连接管道(3)上，

所述第二竖直连接管道(8)在一端连接至所述竖直地定位的浆料混合腔室(5)并且在另一端连接至所述旁通导水管(9)，

所述出口开闭阀(7)位于所述第二竖直连接管道(8)上，

所述旁通导水管(9)在一端连接至所述主进水管道(11)并且在另一端连接至所述加压混合罐(12)的底部，并且，

所述出口管道(13)在一端连接至所述加压混合罐(12)的顶部并且在另一端在所述主进水管道(11)与所述旁通导水管(9)之间的连接下游的一段距离处连接至所述主进水管道(11)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括一个或更多如下的部件：

压力计(10)，其位于所述主进水管道(11)上，

自清洗式过滤器(14)，

导电率计(15)，

阀(16)，其通过所述导电率计来操纵，以及

控制面板，其带有由水压或空气提供动力以调节所述入口开闭阀(4)、排水阀(6)和出口开闭阀(7)的开/闭频率的阀，

并且，其中，

所述自清洗式过滤器(14)位于所述出口管道(13)上，

所述导电率计(15)位于所述主进水管道(11)与所述出口管道(13)之间的连接的下游的所述主进水管道(11)上，并且，

通过所述导电率计(15)来操纵的阀(16)位于所述主进水管道(11)与所述旁通导水管(9)之间的连接的下游且在所述主进水管道(11)与所述出口管道(13)之间的连接的上游的所述主进水管道(11)上。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述入口开闭阀(4)、排水阀(6)和出口开闭阀(7)中的一个或更多个是由水或加压空气提供动力的球阀。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述供料装置(2)是料斗、输送带或筒仓。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，至少一个供料装置(2)是适应于容纳25与1200 kg之间的量的料斗。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述颗粒投入物质是处于固体状态，具有水溶性且以颗粒形式自由流动。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述颗粒投入物质提供为具有4mm或更小的粒子大小的小球。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述投入物质从肥料、植物养分、植物补充剂、除草剂、杀菌剂或其他植物保护化学品或以上物质的任何混合物的组中选择。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一竖直连接管道、浆料混合腔室以及第二竖直连接管道的直径具有大约相同的内径。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述入口开闭阀和所述出口开闭阀的功能阀开口分别具有与所述第一竖直连接管道和第二竖直连接管道大约相同的直径。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括用于控制所述入口开闭阀(4)、排水阀(6)和出口开闭阀(7)的编程自动化单元。

12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括用于收集并容纳来自所述浆料混合腔室(5)的污水的存储罐。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，安装于EU托盘上。

14.一种加压灌溉施肥和/或灌溉系统，其包括根据权利要求1至13中的任一项所述的装置。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，由通过水或加压空气提供动力的球阀执行开闭动作。

16.一种针对灌溉施肥应用的用于通过灌溉水(1)而供应颗粒投入物质的方法，包括：

应用包括如下部件的装置：至少一个供料装置(2)，适合于供给颗粒物质，并且通过第一竖直连接管道(3)连接至位于所述第一竖直连接管道(3)下方的竖直地定位的浆料混合腔室(5)的顶部，以及加压混合罐(12)，通过第二竖直连接管道(8)连接至所述浆料混合腔室(5)的底部用于溶解离开所述浆料混合腔室(5)的颗粒物质，其中，在一个运行循环中：

(a)通过重力来将来自所述供料装置(2)的一定量的颗粒投入物质通过所述第一竖直连接管道(3)提供给处于大气压力下的所述浆料混合腔室(5)；

(b)将所述浆料混合腔室(5)与所述第一竖直连接管道(3)水密地隔绝；

(c)打开所述浆料混合腔室(5)的底部，以允许其内容物通过重力的作用而落入所述第二竖直连接管道(8)中，其中所述内容物暴露于加压灌溉水并与所述加压灌溉水一起从所述浆料混合腔室冲出而从连接至所述加压混合罐(12)的底部上的旁通导水管(9)进入所述加压混合罐(12)中并且从连接至所述加压混合罐的顶部上的出口管道(13)离开；

(d)将所述浆料混合腔室(5)与加压灌溉水源隔绝，并且排出其内容物；以及

(e)将所述浆料混合腔室(5)在其顶部再次打开，以便接收新的一定量的颗粒投入物质。