CN205305611U - 利用位差压强与液体表面张力控制流速的灌水器 - Google Patents

Abstract

一种利用位差压强与液体表面张力控制流速的灌水器，利用水体在两平板形成的渐宽狭缝内所受到的粘滞力与表面张力产生的附加压强，对位差压强进行消能减压，实现均匀灌溉，同时可以利用改变位差压强大小的方式，调节灌水器流道滴速，在向目标植物进行灌溉时能实现滴灌，小流量灌溉，及灌水器流道冲洗功能。

Description

利用位差压强与液体表面张力控制流速的灌水器

技术领域

本实用新型涉及一种灌水器，具体是一种利用位差压强与液体表面张力控制流速的灌水器，在向目标植物进行灌溉时能实现滴灌，小流量灌溉，及灌水器流道冲洗功能。

背景技术

人类社会为了生产生活的需要，发明了各种水利灌溉工程，但由于水资源日益紧缺，迫使人们采用更节约的灌溉方式，以色列人斯迈哈.博拉斯父子更是发明了滴灌技术，为人类社会的节水灌溉作出了重大贡献。

滴灌是利用一套专门的设备，把有压力水（可由水泵加压或利用地形落差所产生的压力），经过过滤后，通过各级输水管网到滴头，水自滴头以点滴方式，一滴一滴直接缓慢地滴入作物根际耕作层土壤，水滴滴入土后，借助重力入渗，在滴头下方形成很小的饱和区．并向四周逐渐扩散至作物根系发达区的灌水方法称为滴灌，因滴灌是用少量的水，而且是湿润作物根部活动层的土壤，所以，滴灌又称为局部灌水。

滴灌具有省水、灌溉均匀、节能、土壤和地形的适应性强、增产、省工、方便田间作业等优点。

但滴灌也有它的局限性，具体表现为：

1.滴头堵塞使用过程中极易引起滴头的堵塞，主要是由悬浮物（砂和淤泥）、不溶解盐（主要是碳酸盐）、铁锈、其他氧化物和有机物引起，滴头堵塞主要影响灌水的均匀性，严重时可能使整个系统报废。

2.盐分积累在干旱地区采用含盐量较高的水灌溉时，盐分会在滴头湿润区域周边产生积累，这些盐分易于被淋洗到作物根系区域，当种子在高浓度盐分区域发芽时，会带来不良后果。

3.影响根物的根系分布对于多年生果树来说，滴头位置附近根系密度增加，而非湿润区根系因得不到充足的水分供应其生长会受到影响，尤其是在干旱半干旱地区，根系的分布与滴头位置有很大关系，少灌勤灌的灌水方式会导致树木根系分布变浅，在风力较大的地区可能产生拔根危害。

4．投资成本高，管理技术要求高，要有动力能源要求，水压力的衰减效应使得有效工作面积小，同时滴灌孔容易堵塞的难题至今未能攻克，使得滴灌设备寿命缩短，运行与维护成本剧涨，众多原因令传统滴灌的大面积推广受到极大限制。

参考文献《经济型喷微灌》奕永庆著

出版社：中国水利水电出版社

ＩＳＢＮ：9787508469683出版时间：2009-11-01

最接近的技术方案

发明人谭朝晖于2013年12月10日向中华人民共和国国家知识产权局申请了一项《具有渐宽狭缝输水装置可调滴速的分子能滴灌器》发明，专利号：ZL201310658336.2,授权公告号CN103609395B，授权公告日2015.06.10,记载并公开了一种具有渐宽狭缝输水装置可调滴速的分子能滴灌器，其特征在于，把厚度在0.01mm~2mm范围内的支撑物8夹在一块拱形平板状材料7与另一块拱形平板材料9之间，使两块拱形平板材料之间形成一侧紧贴，另一侧间距稍大的渐宽狭缝，以弹性材料夹紧或以粘合物固定，构成输水装置17，使输水装置17跨骑于容器14边沿，并使狭缝较窄的一侧置于容器内，狭缝较宽大的一侧置于容器外对应的集水装置12内。

在实际生产运用过程中，也遇到了一些不理想的问题，具体表现为：根据权利要求1制成的分子能滴灌器，由于其工作原理是将容器内的水利用狭缝的毛细作用提升0-3cm，再通过水在渐宽狭缝的一系列分子力层递作用于完成水从容器内向容器外运行的滴灌效果，其滴速由毛细水头控制，这样，要对滴灌滴速要求统一的场合，在安装时要求分子能滴灌器安装在同一水平线上，正负误差只允许0-3cm，过高会造成毛细上升高度不足引起断流，过低则水从容器满溢浪费，而在实际工程中，要想达到这一要求是很困难的，所以会出现同一分子能滴灌系统内，各个滴灌器会出现滴速不均匀的现象，各个调整又费工费时，此外，由于分子能滴灌长期处于极低流速工作状态，每个滴头供水量从285ml/天到3800ml/天，没有办法实现整体冲洗功能，由于水中细菌等微生物滋生，其生物膜与各种杂质结合，在狭缝两壁形成黏附，由于各个滴灌器吸附杂质的程度不一，引发的滴速变慢，各滴灌器灌溉均匀度下降，不利于作物品质及生产效益提升，这时，就必须人工遂一对滴灌器进行拆洗，工作量大，清洗效率低下，再有，分子能滴灌滴速调节范围较窄，在施肥时，可能会由于肥液稀释不充分不及时，引发作物烧根事故，影响作物生长。

参考文件《中国农村水利水电》2009年第四期《滴头堵塞诱发过程及其可控方法的研究进展》作者：闰大壮，刘杰，杨培玲，文章编号：1007-2284（2009）04003903。

发明内容

为解决传统滴滴容易堵塞，能源消耗较大，分子能滴灌清洗效率低，滴速调节范围窄的技术问题，本发明设计一种利用位差压强与液体表面张力控制流速的灌水器，其特征在于：

一块带转角形状的硬质平板材料1，至少具有相互平行的直线边2与直线边3，另一侧具有斜边4；

将两块相同形状的硬质平板材料1叠合，并使两平板的直线边2对齐，在两平板间的直线边3位置加入厚度为0.01-0.2mm的薄片支撑物5，使两平板间形成具有一侧紧贴，另一侧较宽的渐宽狭缝6；

将紧贴狭缝一侧插入弹性管体7，利用过盈配合使叠合平板与管体紧密结合，构成灌水器8。

图1是带转角形状的硬质平板材料的示意图,图2是玻璃叠合结构的分解示意图,图3是玻璃叠合结构的轴测图,图4是管体的轴测图,图5是灌水器的结构轴测图,图6是灌水器的剖视图。

分析灌水器的工作原理，图7是一个基本灌水器单元的原理示意图，水从水源9沿管道经总阀10，浮球阀11进入控压水箱12，经滴灌阀13流入灌水器，由于此时冲洗阀14处于关闭状态，只有控压水箱12的位差压强

在驱动水从控压水箱向倾斜一定角度安装的灌水器运行，式中，p:位差压强，ρ：液体密度，g：重力加速度，h位差高度，图8是灌水器8在刚启动时渐宽狭缝内水动力分析图，在管体狭缝区域的水会受到较窄狭缝的粘滞力15作用，方向与驱动水流的位差压强16相反，起到一个削减位差压强的作用，然后水继续向上运行，由于水，气界面的表面张力作用，会在狭缝外沿形成凸起液面，此液面的表面张力会产生一个附加压强，方向指向狭缝水体内部，，也会产生削减位差压强的作用，同时使水不会从狭缝流出，至狭缝转角处，由于狭缝渐宽，水在受削减后的剩余位差压强17，水体自身重力18的作用下，形成向下的推动合力19，使得原本受狭缝表面张力作用的固，液，气界面的下部，形成一个凸出点，在狭缝两壁分子吸引力，水分子表面张力，推动合力的作用下，沿狭缝下沿往较宽狭缝处运行，将水体横向推往更宽的狭缝，在这一过程中，狭缝内水体与气体接触界面面积同时增加，其表面张力又再产生一个附加压强，对位差压强再进一步削弱，图9是滴灌模式渐宽狭缝内水动力分析图，在表面张力作用形成的最狭窄水体20位置，位差压强已经与附加压强基本相抵，使水体继续沿狭缝下沿向较宽狭缝运行的主要驱动力为水体自身重力，然后，在较宽狭缝的最下端21，水体在表面张力的作用下，无法继续横移，在此处累积，当其自重大于表面张力约束时，形成水滴在重力作用下往下滴落，滴落的水滴由于水分子粘滞力作用，会从狭缝内拉出部分水体，狭缝表面张力又大于狭缝最下端水体重力，形成断流，直至水体重新累积至重力大于表面张力，再次滴落，如此往复，形成滴灌效果。

由上述分析，可以看出，灌水器在滴灌工作状态时，其滴速主要取决于位差压强

由于ρ，g均为常数，所以只要改变控压水箱12与灌水器8之间的相对高度差，使位差压强大于附加压强，就可以使狭缝内水体运行加速，从而对灌水器滴速进行调节。

图10是基本灌水器单元的冲洗工作状态原理示意图，水从水源9沿管道经总阀10，冲洗阀14流入灌水器，由于此时滴灌阀13处于关闭状态，水源的高位位差压强直接作用于灌水器的渐宽狭缝，位差压强远远大于附加压强，在狭缝内形成高速流动的水流，可以把吸附于狭缝两壁的粘附物冲出流道，避免流道堵塞，形成冲洗效果，同时，冲洗过程中所形成的连续水流，仍然用于灌溉作物，形成小管出流的灌溉效果，既不浪费水资源，同时还能使作物根部附近短时间内形成重力土壤水，引导作物根系向深层发育，避免风力拨根危害，很明显，这是分子能滴灌无法做到的技术效果。

图11是冲洗模式渐宽狭缝内水动力分析图，由于位差压强远远大于附加压强，表面张力作用形成的最狭窄水体20比滴灌模式时粗大许多，相当于在狭缝内有一根弹性非常灵活的弹性管道，能够及时响应渐宽狭缝内水体流量变化，但没有无常规弹性管道的超压破裂风险与低压时不能充盈的难题，这样，就为灌水器实现广泛的流速调节范围提供了优秀的物理基础，使得灌水器既有滴灌节水高效的优点，又拥有小管出流灌溉的抗堵塞性能，从根本上解决了传统滴灌技术的容易堵塞难题。

由于灌水器渐宽狭缝所产生的附加压强非常小，在消能减压的过程中消耗的能量也非常小，具有宽广的流道调速范围，每个滴头在零至一米位差压强作用下，可以实现0.02L-10L/小时的流速变化，能够适应多种作物不同时期需水量的灌溉要求。

单个灌水器的作用是很小的，如果将众多的灌水器组成系统，便能使灌水器发挥更大的效用，为更多的植物提供灌溉，用连通管道将多个灌水器利用连通器原理进行连接，就可以组建灌溉系统，为便于论述，同时因狭缝水体表面张力所产生的附加压强对灌溉流速的限制作用，以下均以张力限流灌溉系统称呼，图12是张力限流灌溉系统原理示意图，

灌水器在滴灌工作状态时，其滴速主要取决于位差压强，所以只要改变控压水箱12与各个灌水器8之间的相对高度差，使位差压强大于附加压强，就可以使狭缝内水体运行加速，从而对灌水器滴速进行调节，而在现实工程中，当我们将各个灌水器之间利用连通器原理进行扩展时，往往不容易精准控制每个灌水器与控压水箱之间的相对位差，这样，就需要引入技术补偿手段，以保证灌溉系统各个灌水器灌溉均匀性，为此，设计一种灌水器，其特征在于：一块带转角形状的硬质平板材料1，至少具有相互平行的直线边2与直线边3，另一侧具有斜边4；

将两块相同形状的硬质平板材料1叠合，并使两平板的直线边2对齐，在两平板间的直线边3位置加入厚度为0.01-0.2mm的薄片支撑物5，使两平板间形成具有一侧紧贴，另一侧较宽的渐宽狭缝6；

将紧贴狭缝一侧插入弹性管体7，利用过盈配合使叠合平板与管体紧密结合，在弹性管体7外加上一个紧密结合的硬质套22，使紧贴一侧狭缝紧固，在较宽狭缝塞入支撑物23，构成灌水器。

图13是可微调灌水器结构示意图。

在安装好灌水器后，由于灌水器流道紧贴一侧狭缝在紧密结合的硬质套22作用下紧固，不会再发生明显变化，通过改变较宽狭缝中所支撑物23所在的位置，使具有一定弹性的渐宽狭缝宽度发生改变，从而改变渐宽狭缝内水体表面张力所产生的附加压强，对灌水器流速进行微调，使系统内各灌水器流速趋于一致。

附图说明

图1是带转角形状的硬质平板材料的示意图

图2是玻璃叠合结构的分解示意图

图3是玻璃叠合结构的轴测图

图4是管体的轴测图

图5是灌水器的结构轴测图

图6是灌水器的剖视图

图7是基本灌水器单元的滴灌工作状态原理示意图

图8是刚启动时渐宽狭缝内水动力分析图

图9是滴灌模式渐宽狭缝内水动力分析图

图10是基本灌水器单元的冲洗工作状态原理示意图

图11是冲洗模式渐宽狭缝内水动力分析图

图12是张力限流灌溉系统原理示意图

图13是可微调灌水器结构示意图

图14是张力限流灌溉系统实施方式原理示意图。

具体实施方式

图14是张力限流灌溉系统实施方式原理示意图。

水从水源9沿管道经总阀10后，可以有两条通道选择。

一条通道是通过浮球阀11进入控压水箱12，经滴灌阀13流入各个灌水器，此时将冲洗阀14处于关闭状态，只有控压水箱12的位差压强在驱动水从控压水箱向灌水器运行，前面已经分析过此时张力限流灌溉系统将处于滴灌工作状态，在这一过程中，可以通过调节控压水箱12的高度，同步调节各个灌水器的滴灌流速，以适应不同作物不同时期需水量。

另一条通道是通过冲洗阀14进入各个灌水器，此时将滴灌阀13处于关闭状态，水源压强全部直接作用于各个灌水器，在狭缝内形成高速流动的水流，可以把吸附于狭缝两壁的粘附物冲出流道，避免流道堵塞，形成冲洗效果，同时，冲洗过程中所形成的连续水流，仍然用于灌溉作物，形成小管出流的灌溉效果。

在评估一个节水灌溉系统是否优秀时，业内公认的评论条件有以下几条，灌溉均匀度,经济性，抗堵塞性能。

前面已经分析过，灌水器在滴灌工作状态时，其滴速主要取决于位差压强，各个灌水器的滴速由控压水箱12与各个灌水器8之间的相对高度差h决定，所以在组建张力限流灌溉系统时，只要重点考虑各个灌水器安装时相互处于同一水平高度即可，这样，各灌水器与控压水箱12的相对高度差h也是相对一致的，同时，由于灌水器渐宽狭缝是组装式的，其相对尺寸可以控制得比较统一，对位差压强进行消能减压的水体在渐宽狭缝粘滞力，表面张力附加压强在各灌水器内部也非常一致，再加上可以采用表面光洁的平板材料或平板玻璃来构建渐宽狭缝隙，使得水体在渐宽狭缝粘滞力减至极小，使得灌水器流速基本完全取决于位差压强，就可以获得非常理想的灌溉均匀度。

一般滴灌系统由于管道与滴头材料因加强压，压力衰减，引起的弹性不规则变形，常规弹性管道固有的材料胀缩能量损失，导致滴灌均匀度变差的现象，在本实用新型中，由于渐宽狭缝内的水体在狭缝边沿水气界面表面张力作用下，如同一根弹性非常灵活的弹性管道，能够随着渐宽狭缝内水体压强变化自动膨胀收缩，消耗的能量却微小至极，这就避免了消能减压过程中引起的灌溉不均匀。

在以前实施滴灌技术的实践中，虽然可以获得很高的节水效果，但由于设施寿命较短，运行费用较高，塑料材料的大量使用造成二次污染，使得滴灌的推广与生态建设的持续性发展还存在很大的难点，为此，我们可以采用寿命非常长且可回收重复利用的平板玻璃制作灌水器流道，力争一次投资即可百年受益地解决干旱地区的节水种植与生态修复难题，使得灌溉年平均使用成本降至极低，另外，由于灌水张力灌溉系统在消能减压过程中，消耗的能源极小，只需要微小的压差就能够实现灌溉目的，节能节水，省工省心具有很高性价比，有利于节水节能绿色事业发展。

在有压滴灌的实践中对于有机物质引起的堵塞一般采用过滤的方法，尽可能把较大的有机物质隔离于滴灌水之前，因而需要使用高品质的过滤系统，而高品质的过滤系统又会引起设备投资成本，运行成本，运行技术要求同时提高，同时，因为过细的过滤层，会引发压力衰减，造成能源效率下降，灌溉面积受限制。

在张力限流灌溉系统系统，由于灌水器流道是渐宽狭缝结构，较大有机物是无法进入灌水器流道的，当细小有机物进入灌水器流道后，由于其流道是越来越宽的，细小有机物不会在流道内发生卡紧现象，此外，张力限流灌溉系统还可以定期以冲洗状态运行，把流道内的吸附物以高速流动水带出，从而社绝了物理堵塞的发生。

在有压滴灌的实践中对于化学成分引起的堵塞常用的化学处理法是氯化处理、加酸处理和硫酸铜处理，在张力限流灌溉系统系统，由于灌水器流道是渐宽狭缝结构，这一扁平化结构决定了当使用化学方法使流道内化学成分沉淀附着物脱落时，要么是碎屑状，要么是片状，都可以在冲洗工作状态时由高速水流带出，而不会像传统滴灌一样在微孔或迷宫流道中发生淤塞。

对于水中微生物的繁殖引发的堵塞问题，可以选择不透光的管道作为供水管，连通管与种植导管，以不透光材料制作灌水器外壳,对狭缝流道进行光遮蔽，使系统内的水处于完全杜绝光线的环境中运行，使微生物无法繁衍，就可以避免生物堵塞的发生。

有益效果

1与传统滴灌技术相比，张力限流灌溉系统在消能减压过程中消耗的能源极小，只需微小的位差压强即可实现均匀滴灌效果，更为节水节能。

2与传统滴灌技术相比，张力限流灌溉系统在灌水器流道冲洗时，仍然处于小管出流的灌溉状态，更具节水成效。

3与传统滴灌技术相比，张力限流灌溉系统具有更长的使用寿命，年平均使用成本更低。

4与传统滴灌技术相比，张力限流灌溉系统能同时实现滴灌，小管出流两种灌溉效果，有利于多年生长的作物根系深层发育，避免拨根危害。

5与传统滴灌技术相比，张力限流灌溉系统无需加压泵，无需精密过滤系统，无需复杂调压装置，规模建设可大可小，具有更广泛的适应性。

6与分子能滴灌系统相比，张力限流灌溉系统对安装时工程精确度要求较低，更为便利。

7与分子能滴灌系统相比，张力限流灌溉系统同时实现滴灌，小管出流两种灌溉效果，流道流速调节范围更广，更能适应各种作物的需水要求。

8与分子能滴灌系统相比，张力限流灌溉系统可以实现整体冲洗功能，更省人工。

Claims (3)

1.一种利用位差压强与液体表面张力控制流速的灌水器，其特征在于：一块带转角形状的硬质平板材料（1），至少具有相互平行的直线边（2）与直线边（3），另一侧具有斜边（4）；

将两块相同形状的硬质平板材料（1）叠合，并使两平板的直线边（20对齐，在两平板间的直线边（3）位置加入厚度为0.01-0.2mm的薄片支撑物（5），使两平板间形成具有一侧紧贴，另一侧较宽的渐宽狭缝（6）；

将紧贴狭缝一侧插入弹性管体（7），利用过盈配合使叠合平板与管体紧密结合，构成灌水器（8）。

2.如权利要求1所述的灌水器，其特征在于：在所述的弹性管体(7)外加上一个紧密结合的硬质套(22)，使紧贴一侧狭缝紧固，在较宽狭缝塞入支撑物(23)，构成灌水器。

3.如权利要求1所述的灌水器，其特征在于：所述带转角形状的硬质平板材料为平板玻璃。