缓解滴灌系统灌水器堵塞的低能耗磁化处理装置及方法

1.本发明涉及滴灌系统水质处理技术领域，尤其是涉及一种缓解滴灌系统灌水器堵塞的低能耗磁化处理装置及方法。


背景技术：

2.灌溉水源水质特征是导致滴灌系统灌水器堵塞最主要和最直接的原因。灌溉水磁化处理后，水的表面张力、黏度、密度、电导率和ph等均会发生改变。磁化后的水能够抑制水垢的形成，磁化水中大量的微小水分子可以渗透、包围、松散、溶解和去除老垢。灌溉水磁化后，水分子偶极距增大，水分子中氢键断裂，分子间相互作用力减弱，水中的钙、镁离子缔合物晶体结构将发生改变，从而难以生成沉淀。采用磁化水进行滴灌可促进滴灌带管壁上原有的沉淀物开裂、疏松、脱落，宏观表现为滴头流量增加，抗堵塞性能提高。此外采用磁化水滴灌可促进植物生长发育，提高产量和水分利用效率，增强土壤保水能力，降低土壤盐分含量和加快土壤盐分淋洗等。
3.现今的灌溉水磁化处理方式多为局部磁化管道式和外置磁化器式，两种安装方式均可简单的提供磁化循环过程。中国农业大学李云开等公开了名称为：“防止滴灌系统灌水器堵塞的磁化控制装置及控制方法”的专利，采用部分灌溉水从水池抽出通过磁化装置一次回到水池，部分灌溉水再被抽出再通过磁化装置一次再回到水池的循环磁化方式来实现对灌溉水的循环磁化处理，然而此循环方式易造成磁化前后水样间相互浸染，降低磁化效率，且该磁化装置设计较为复杂，电路连接较为复杂，使用时需要一定的专业基础，该装置需要太阳能板来提供电能，而太阳能板造价成本较高，且使用时需选择阳光充足区域，由此导致灌溉场地的选择受到限制。此外，使用该磁化装置磁化灌溉水时，针对不同灌水量，磁化时间和磁化强度如何选择未有明确说明。因此有必要对磁化装置的设计进行改进，在增加灌溉水切割磁感线次数的同时，简化磁化装置，降低磁化能耗，使通过磁化装置的磁化水无需回到水池，提高磁化效率，针对不同灌溉用水量提出相应的灌溉水磁化参数，使其使用更加简洁方便，不受灌溉场地限制，更有利于磁化装置的推广。此外，向灌溉水中施加肥料可促进作物生长发育，向灌溉水中加气可增加作物根区土壤氧含量，解决根系水氧矛盾，提高作物产量和品质。然而目前尚未有装置能将磁化、施肥和加气集于一体，将磁化处理技术与加气加肥技术结合从而满足多种功能需求的磁化装置亟待开发，以在装置低能耗运行的条件下实现对灌溉水的循环磁化处理及施肥和加气处理，促进作物生长发育，解决根系水氧矛盾，同时缓解滴灌系统灌水器堵塞。
4.基于此，本发明在现有技术和应用过程的基础上，提出了一种缓解滴灌系统灌水器堵塞的低能耗磁化处理装置及方法，具体是：提出了一种无需通电无需连接能源即可实现对滴灌系统灌溉水循环磁化处理及施肥和加气处理的装置，改良了磁化循环方式，可防止磁化前后水样间相互浸染，基于灌溉用水量的大小，确定了磁化参数，明确了灌溉用水量不同时，磁化装置适宜的运行模式。该磁化处理装置结构简单，运行方式简单，用户操作简便，使用时不受灌溉场地条件限制，该磁化处理装置和磁化方法对于提高灌溉水磁化效率
和效果、降低磁化能耗、缓解滴灌系统灌水器堵塞具有重要作用，该磁化处理装置集对灌溉水磁化、施肥和加气于一体，以促进作物生长发育，解决根系水氧矛盾，提高作物产量和品质。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种缓解滴灌系统灌水器堵塞的低能耗磁化处理装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种缓解滴灌系统灌水器堵塞的低能耗磁化处理装置，包括滴灌系统，滴灌系统包括水池、水泵、过滤器、磁化处理机构、控制阀门、压力表、干管和管道机构，水池、水泵、过滤器、磁化处理机构、控制阀门、压力表、管道机构通过干管依次连接；
7.磁化处理机构包括滚动轮、底板平台、输水管道、磁化处理核心结构、施肥器、曝气器、输水弯管和储肥箱，输水管道的输水管道进口通过干管与过滤器连接，输水管道环绕设置在储肥箱的底部，储肥箱的底端通过铁管与底板平台连接，滚动轮设置在底板平台的底端，输出管道上沿水流流动方向依次设置有施肥器、曝气器和磁化处理核心结构，输出管道与输水弯管连接；输水弯管通过干管与控制阀门连接；
8.磁化处理核心结构包括n极永磁体、s极永磁体和孔洞，输水管道环绕设置在并联的n极永磁体和s极永磁体上，n极永磁体和s极永磁体的中间设置有孔洞，输水管道插设在孔洞内。
9.优选的，管道机构包括支管、毛管、灌水器和调速阀门，压力表通过干管与支管连接，支管与若干毛管连接，毛管与调速阀门连接，毛管上设置有若干灌水器。
10.优选的，输水管道通过铁环固定设置在储肥箱的背面。
11.优选的，施肥器包括第一进水口、第二收缩段、第一收缩段、喉部、第一扩张段、第二扩张段、第一出水口、控肥阀门和吸肥管，第一进水口的一端与输水管道连接，第一进水口的另一端与第二收缩段、第一收缩段、喉部、第一扩张段、第二扩张段和第一出水口依次连接，吸肥管通过控肥阀门与喉部连接。
12.优选的，曝气器包括第二进水口、控气阀门、真空室、收缩部、射流口、扩张部和第二出水口，第二进水口的一端与输水管道连接，第二进水口的另一端与收缩部、射流口、扩张部和第二出水口依次连接；真空室与收缩部、射流口和扩张部均连通，真空室上设置有控气阀门。
13.优选的，射流口直径小于第二进水口直径，射流口直径小于第二出水口直径，第二出水口直径大于第二进水口直径。
14.一种应用上述缓解滴灌系统灌水器堵塞的低能耗磁化处理装置的磁化方法，包括以下步骤：
15.步骤一，灌溉水由水泵从水池抽出，经过滤器过滤后通过干管输送至磁化处理机构上的输水管道；
16.步骤二，滴灌系统正式运行前在储肥箱内配置好灌溉所需液肥，打开并调节施肥器的控肥阀门和曝气器的控气阀门，用于运行后对灌溉水进行施肥和加气处理；
17.步骤三，灌溉水通过施肥器和曝气器加入肥料和气体后进入磁化处理核心结构，
灌溉水以一定流速沿着与磁感线垂直的方向多次切割，多次通过磁场，灌溉水由此变为磁化水；
18.步骤四、磁化水经由输水弯管进入干管，而后通过控制阀门和压力表进入支管及毛管，磁化水从灌水器流出进行灌溉。
19.优选的，滴灌系统的运行压力为0.06～0.12mpa，滴灌系统的灌水频率为2～8d/次。
20.因此，本发明采用上述结构的缓解滴灌系统灌水器堵塞的低能耗磁化处理装置及方法，具有以下有益效果：
21.1、本发明申请所述缓解滴灌系统灌水器堵塞的低能耗磁化处理装置无需通电无需连接能源即可实现对灌溉水的循环磁化处理及施肥和加气处理，该装置可降低磁化能耗，提高磁化效率和效果，缓解滴灌系统灌水器堵塞；
22.2、本发明申请所述缓解滴灌系统灌水器堵塞的低能耗磁化处理装置的磁化方法可根据灌溉用水量的大小确定磁化参数，明确了灌溉用水量不同时，磁化装置适宜的运行模式；
23.3、相比于传统的磁化方法，本技术所述的缓解滴灌系统灌水器堵塞的低能耗磁化处理装置集磁化、施肥和加气于一体，在装置低能耗运行的条件下实现对灌溉水的循环磁化处理及施肥和加气处理相结合，促进作物生长发育，提高作物根区土壤氧含量，解决根系水氧矛盾。
24.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
25.图1为本发明滴灌系统整体布置示意图；
26.图2为本发明磁化处理机构正面结构示意图；
27.图3为本发明磁化处理机构侧面结构示意图；
28.图4为本发明施肥器结构示意图；
29.图5为本发明曝气器结构示意图；
30.图6为本发明磁化处理核心结构意图；
31.图7为本发明磁化水对灌水器平均相对流量的影响示意图；
32.图8为本发明磁化水对灌水器堵塞物质量的影响示意图。
33.附图标记
34.1、水池；2、水泵；3、过滤器；4、磁化处理机构；5、控制阀门；6、压力表；7、干管；8、支管；9、毛管；10、灌水器；11、调速阀门；12、滚动轮；13、底板平台；14、输水管道；15、磁化处理核心结构；16、施肥器；17、曝气器；18、输水弯管；19、储肥箱；20、输水管道进口；21、铁管；22、铁环；23、吸肥管；24、第一进水口；25、第二收缩段；26、第一收缩段；27、喉部；28、第一扩张段；29、第二扩张段；30、第一出水口；31、控肥阀门；32、第二进水口；33、控气阀门；34、真空室；35、收缩部；36、射流口；37、扩张部；38、第二出水口；39、孔洞；40、n极永磁体；41、s极永磁体。
具体实施方式
35.以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
36.除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
37.实施例
38.图1为本发明滴灌系统整体布置示意图；图2为本发明磁化处理机构正面结构示意图；图3为本发明磁化处理机构侧面结构示意图；图4为本发明施肥器结构示意图；图5为本发明曝气器结构示意图；图6为本发明磁化处理核心结构意图。
39.如图所示，本发明所述的一种缓解滴灌系统灌水器堵塞的低能耗磁化处理装置，包括滴灌系统，滴灌系统包括水池1、水泵2、过滤器3、磁化处理机构4、控制阀门5、压力表6、干管7和管道机构，水池1、水泵2、过滤器3、磁化处理机构4、控制阀门5、压力表6、管道机构通过干管7依次连接。管道机构包括支管8、毛管9、灌水器10和调速阀门11，压力表6通过干管7与支管8连接，支管8与若干毛管9连接，毛管9与调速阀门11连接，毛管9上设置有若干灌水器10。磁化处理机构4包括滚动轮12、底板平台13、输水管道14、磁化处理核心结构15、施肥器16、曝气器17、输水弯管18和储肥箱19。
40.水池1与水泵2的一端通过干管7连接，水泵2的另一端与过滤器3的一端通过干管7连接。过滤器3的另一端与磁化处理机构4上的输水管道进口20通过干管7连接，输水管道14环绕储肥箱19底部。储肥箱19底端与底板平台13通过铁管21连接，铁管21将储肥箱19托起，底板平台13的底端安装有滚动轮12。输水管道14从储肥箱19的底部向上弯折，向上弯折的输水管道14通过铁环22固定在储肥箱19背面。输水管道14沿水流流动方向上依次设置有施肥器16、曝气器17和磁化处理核心结构15，通过磁化处理核心结构15的输水管道14与输水弯管18的一端连接，输水弯管18的另一端与控制阀门5的一端通过干管7连接。控制阀门5的另一端与压力表6的一端通过干管7连接，压力表6的另一端与支管8通过干管7连接。支管8与若干毛管9的一端连接，毛管9的另一端与调速阀门11连接。毛管9上有若干灌水器10。控制阀门5的作用为根据具体输出流量要求，控制管道口灌溉水出流量。调速阀门11的作用为调节毛管9内水流流速变化。滚动轮12的作用为增加磁化处理机构4的使用灵活度，使装置整体可自由移动。
41.磁化处理核心结构15包括n极永磁体40、s极永磁体41和孔洞39。n极永磁体40和s极永磁体41紧密连接并联放置，n极永磁体40和s极永磁体41中间均匀设置5～12个孔洞39。n极永磁体40和s极永磁体41磁化强度相同，磁化强度为300～800mt。输水管道14环绕两极紧密连接的n极永磁体40和s极永磁体41弯折，输水管道14依次穿出两极紧密连接的n极永磁体40和s极永磁体41中间的第一孔洞、第二孔洞、第三孔洞
……
，灌溉水以一定流速沿着与磁感线垂直的方向多次切割，多次通过磁场，灌溉水由此变为磁化水。
42.施肥器16包括第一进水口24、第二收缩段25、第一收缩段26、喉部27、第一扩张段28、第二扩张段29、第一出水口30、控肥阀门31和吸肥管23。第一进水口24的一端与输水管道14连接，第一进水口24的另一端与第二收缩段25、第一收缩段26、喉部27、第一扩张段28、第二扩张段29和第一出水口30相连通。吸肥管23上设置有控肥阀门31，吸肥管23通过控肥阀门31与喉部27相连通。控肥阀门31的作用为控制吸肥管23吸入液肥量，当控肥阀门31关闭时，未对灌溉水加肥。当输水管道14的水流流入施肥器16的第一进水口24时，水流经过第二收缩段25、第一收缩段26和喉部27，水流流速逐渐增大。由于喉部27入口处流道断面突然由收缩变化为直段，水流的惯性使得其在喉部27内管壁周围产生一定的真空，从而形成负压。吸肥管23与喉部27负压区相连接，吸肥管23垂直插入开敞的储肥箱19内，储肥箱19内存放液肥，在大气压的作用下，吸肥管23吸入液肥，液肥流入输水管道14，经第一扩张段28和第二扩张段29水流流速减小，液肥与水流充分混合，再经由输水管道14进行运输最终进入滴灌系统跟随水流进行灌溉。施肥器16可将液体肥料加入灌溉水中，同步进行灌溉，灌溉后可促进作物生长发育，提高作物产量。
43.曝气器17包括第二进水口32、控气阀门33、真空室34、收缩部35、射流口36、扩张部37和第二出水口38。第二进水口32的一端与输水管道14连接，第二进水口32的另一端与收缩部35、射流口36、扩张部37和第二出水口38相连通。射流口36直径小于第二进水口32直径，射流口36直径小于第二出水口38直径，第二出水口38直径大于第二进水口32直径。真空室34与收缩部35、射流口36和扩张部37均连通，真空室34具有控气阀门33。控气阀门33用于控制真空室34和水流对外界空气的吸入量，从而调节气含率，气含率可调范围为0～30％。当控气阀门33关闭时，未对灌溉水加气。当输水管道14的水流流入曝气器17的第二进水口32时，水流经过收缩部35，水流流速增大，压强减小，曝气器17内部产生真空区，在真空室34形成负压。打开控气阀门33，外界空气被吸入真空室34并进入到水流中，从而形成水气混合液并从射流口36喷出，混合液在向第二出水口38移动的过程中，经扩张部37流速减小，从而使水气混合更加均匀，再经由输水管道14进行运输最终进入滴灌系统进行灌溉。曝气器17可将气体加入灌溉水中，灌溉后可提高作物根区土壤氧含量，解决根系水氧矛盾，提高作物品质。
44.一种应用上述缓解滴灌系统灌水器堵塞的低能耗磁化处理装置的磁化方法，包括以下步骤：
45.步骤一，灌溉水由水泵2从水池1抽出，经过滤器3过滤后通过干管7输送至磁化处理机构4上的输水管道14。
46.步骤二，输水管道14沿水流流动方向上依次设置有施肥器16、曝气器17和磁化处理核心结构15。滴灌系统正式运行前在储肥箱19内配置好灌溉所需液肥，如硫酸钾肥、水溶性复合肥、尿素等，液肥浓度可按照作物实际需求自行配置，一般配置肥料质量浓度为0.5％～1.5％。打开并调节施肥器16的控肥阀门31和曝气器17的控气阀门33，以运行后对灌溉水进行施肥和加气处理。当输水管道14的水流流入施肥器16的第一进水口24时，水流经过第二收缩段25、第一收缩段26和喉部27，水流流速逐渐增大，由于喉部27入口处流道断面突然由收缩变化为直段，水流的惯性使得其在喉部27内管壁周围产生一定的真空，从而形成负压。吸肥管23与喉部27负压区相连接，吸肥管23垂直插入开敞的储肥箱19内，储肥箱19内存放液肥，在大气压的作用下，吸肥管23吸入液肥，经第一扩张段28和第二扩张段29水
流流速减小，液肥与水流充分混合。形成水肥混合液再经由输水管道14流入曝气器17的第二进水口32，水肥混合液经过收缩部35，混合液流速增大，压强减小，曝气器17内部产生真空区，在真空室34形成负压。打开控气阀门33，外界空气被吸入真空室34并进入到混合液中，从而形成水肥气混合液并从射流口36喷出。通过调节控气阀门33控制混合液对外界空气的吸入量，从而调节气含率，气含率可调范围为0～30％。水肥气混合液在向第二出水口38移动的过程中，经扩张部37流速减小，使水肥气混合更加均匀。
47.步骤三，所形成的水肥气混合液经由输水管道14进入磁化处理核心结构15，水肥气混合液经输水管道14依次穿出第一孔洞、第二孔洞、第三孔洞等，混合液以一定流速沿着与磁感线垂直的方向多次切割，多次通过磁场，灌溉水由此变为磁化水。
48.步骤四，灌溉水施肥、加气和磁化后经由输水弯管18进入干管7，而后通过控制阀门5和压力表6进入支管8及毛管9，灌溉水从灌水器10流出进行灌溉。控制阀门5可调节流量范围为0.5～3.0l/h，毛管9的末端安装有调速阀门11，调速阀门11可调节水流流速范围为0.2～1.5m/s，压力表6控制滴灌系统运行压力。
49.本发明适用的滴灌系统运行压力为0.06～0.12mpa，滴灌系统的灌水频率为2～8d/次。灌溉水磁化性能与磁化时间、磁场强度等有关，较高磁化强度的永磁体制作成本较高。当所需灌溉水水量较小时，可采取低磁化强度的永磁体，适当增加灌溉水在磁化处理核心结构15内的磁化循环时间，以在低磁化强度下实现磁化。但当所需灌溉水量较大时，相应灌溉时间较长，此时若再延长磁化循环时间会导致灌溉成本的提高，此时可适当采取高磁化强度的永磁体，缩短灌溉水在磁化处理核心结构15内的磁化循环时间，以在短时间内完成磁化。灌溉水被磁化后，水分子从无序态转为有序态，内部电荷从无序排列变为有序排列，水的红外吸收、x射线衍射、钙镁离子浓度、粘度、电导率、ph值等均会发生改变。下面以未施肥未加气的灌溉水磁化前后水的理化性质变化为例，灌溉水源取自居民自来水，未磁化时水中钙镁离子质量浓度为72～85mg/l，ph为7.71～7.91，电导率为295～340μs
·
cm-1，粘度为1.14～1.15mpa
·
s，未磁化时在200～350nm波长范围内紫外吸收强度为0.5～0.8。当水池1蓄水量为0～500l时，采用低磁化强度的永磁体，磁化强度设置为300～500mt，两极紧密连接的n极永磁体40和s极永磁体41中间均匀设置9～12个孔洞39，输水管道14内的灌溉水依次穿入穿出孔洞39，重复切割磁感线，实现循环磁化。磁化后水中钙镁离子质量浓度为57～68mg/l，ph为8.31～8.66，电导率为357～390μs
·
cm-1，粘度为1.05～1.06mpa
·
s，磁化后在200～350nm波长范围内紫外吸收强度为1.1～1.5。当水池1蓄水量为500～1000l时，采用高磁化强度的永磁体，磁化强度设置为500～800mt，两极紧密连接的n极永磁体40和s极永磁体41中间均匀设置5～8个孔洞39，输水管道14内的灌溉水依次穿入穿出孔洞39，重复切割磁感线，实现循环磁化。磁化后水中钙镁离子质量浓度为59～69mg/l，ph为8.29～8.64，电导率为350～383μs
·
cm-1，粘度为1.08～1.09mpa
·
s，磁化后在200～350nm波长范围内紫外吸收强度为1.2～1.4。采用所述磁化处理装置磁化后的灌溉水较未磁化处理的灌溉水钙镁离子质量浓度降低18.06％～20.83％、ph提高7.52％～9.48％、电导率提高12.65％～21.02％、粘度降低5.22％～7.89％、紫外吸收强度提高62.50％～140％。
50.相比于传统的磁化方法：即部分灌溉水从水池1抽出通过磁化装置一次回到水池1，部分灌溉水再被抽出再通过磁化装置一次再回到水池1的循环磁化方式，本磁化处理方法中通过磁化装置的磁化水无需回到水池1，可防止磁化前后不同水样间相互浸染，从而提
高磁化效率和效果，本磁化装置可实现灌溉水的连续多次磁化，且相邻两次磁化间隔时间短，而传统磁化间隔时间较长，本磁化方法磁化效果更好，灌溉水可以一定流速沿着与磁感线垂直的方向连续多次切割，连续多次通过磁场，灌溉水由此变为磁化水。本装置磁化灌溉水时无需通电无需连接能源即可实现对灌溉水的循环磁化处理及施肥和加气处理，所述磁化处理装置具有低能耗环保的特点，且能够集磁化、施肥和加气于一体。本发明针对磁化处理的灌溉水对滴灌系统灌水器10堵塞的影响进行了研究，试验采用居民自来水，采用本磁化处理装置分别对居民自来水进行加肥处理(f)、加肥磁化处理(fm)、加气处理(a)、加气磁化处理(am)、加肥加气处理(fa)、加肥加气磁化处理(fam)、对照组未加肥未加气未磁化(ck)、未加肥未加气磁化处理(ckm)。
51.如图7～8所示，滴灌系统运行500h时采用磁化水灌溉的灌水器10平均相对流量较未磁化处理提高11.72％～51.94％，灌水器10堵塞物质量减少16.37％～71.88％，磁化处理有效缓解滴灌系统灌水器10堵塞，采用加气或加肥的灌溉水循环磁化后进行灌溉较加气或加肥的未磁化水灌溉同样缓解灌水器10堵塞。
52.因此，本发明采用上述结构的缓解滴灌系统灌水器堵塞的低能耗磁化处理装置集磁化、施肥和加气于一体，该装置无需通电无需连接能源即可实现对灌溉水的循环磁化处理及施肥和加气处理，降低磁化能耗，提高磁化效率和效果，缓解滴灌系统灌水器堵塞，同时可促进作物生长发育，提高作物根区土壤氧含量，解决根系水氧矛盾；本装置运行方式简单，用户操作简便。
53.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。