第一章 现代灌溉施肥装置性能

3.优缺点 优点：造价低廉，使用方便，施肥浓度稳 定，无须外加动力。 缺点：压力损失较大，一般适于灌区面积不 大的场合。薄壁多孔管微灌系统的工 作压力较低，可以采用文丘里施肥器。
1.3.1试验装置
1.3.2 试验方法
1.试验影响因素：压力和流量 2.使用装置：手动调节控制阀门（得到试验
图1-5 65L施肥灌出口肥液相对浓 度随时间的变化过程 图1-3~图1-5分别绘出了三种容积的施肥灌在不同压差时施 肥灌出口 肥液浓度随时间的变化过程。可以看出对于三种 施肥灌，肥液浓度随时间的持续递减，尤其在开始10min 内，肥液浓度下降很快。
由图可得到的结论：
（1）同一压差时，相同时刻施肥量较大的 肥液相对浓度也较大。 （2） t=30min时，肥液的相对浓度为0～ 2.2%，可认为施肥基本结束。

封俊等（1991）假定所有加入施肥灌的肥料 在施肥开始前已经完全溶解建立了压差式施 肥灌的肥液浓度变化模型： C(t)=C0 e
-
tq v
（1-1）
式中：C(t)为施肥时间t时的肥液浓度 ;C0为施肥灌内肥液的初始浓度；t为施 肥时间；v为施肥灌容积；q为进入施 肥灌的流量。
1.2.1 实验设计与方法
二、通过施肥灌的流量q与主管道的流量 Q之比与压差的关系 回归分析得出三种 规格施肥灌的q/Q与压差的关系为：
10L施肥灌 =0.17 △ p (r =0.997） （1-7） Q 0.55 2 q 30L施肥灌 =1.30 △ p （r =0.998） （1-8） Q 0.63 2 q 65L施肥灌 Q =1.94 △ p （r =0.995） （1-9）
第1章
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现代灌溉施肥装置性能
组内成员：马丽 2010310550 李光亮2010310570 刘荣喜2010310590 范世杰2010310560
1.1
概述
施肥灌溉是指通过灌溉系统直 接将各种营养成分输送到作物根区， 以满足作物的生长需要。
施肥灌溉具有以下优点：
（1）减轻劳动强度，降低施肥成本。 （2）可以按需及时施肥，即使在操作人员无法 进入田间时也能进行施肥。 （3）减轻由于施肥造成的土壤压实和结构破坏。 （4）减少肥料用量，提高肥料利用率，减轻面 源污染。 （5）提高产量，改善品质。
对不同条件下施肥罐出口肥液浓度随时间变 化过程按下式进行拟合：
C÷C0 =e- βt

(1-11)
对β与压差、施肥量、施肥灌进口直径、罐容积之 间的关系进行多元回归分析的： -3 -0.644 0.516 3.228 -0.552 β=2.911×10 M △P D V 2 (r =0.970) （1-12） 各预测值和实测值的比较，预测的肥料溶液浓度随 时间的变化过程与实测值吻合很好，预测值与实测 值的剩余标准差为2%~8%。因此式（1-11）和（112）可以用来估计不同容积、不同进口直径施肥灌 在不同压差和施肥量时施肥灌出口处的肥液浓度随 时间的变化过程。
C=0 C=0 C=0 C=0
△ TC=0
=0.44 △M
(r2=0.991)
（1-17）
1.2.4
结论
对于不同压差式施肥灌的水力性能和肥液浓
度变化规律进行了测试,得出的主要结论如下： （1） 通过施肥灌的流量随施肥进口直径和压 差的增大而增大，流量与压差的0.5次方成正 比。 （2）压差是影响肥液浓度衰减过程的主要因。 （3）压差是影响肥液变化的关键运行参数。
利用实验数据建立施肥结束时间Tc=0（min）
与施肥量、压差、施肥灌容积、施肥灌进口 直径之间的的多元回归关系： 5 0.434 -0.873 -7.335 T =1.384×10 M △P D V2.905 (r2=0.980) （1-13） 上式显示，施肥浓度变为零的时间T 岁施肥量
C=0 C=0
和施肥灌容积的增大而增大，随压差和施肥灌进口 直径的增大而减小。
为了解施肥灌设计和运行参数对施肥性能
影响的相对重要性，依据式（1-13）进行 敏感性分析，敏感性分析的基础准值选为 V=30L,D=20mm， △ P=0.15MPa，M=8kg， T=10min， T 对各参数的敏感性可近似表示为： △ T =2.98 △V (r2=0.921) （1-14） △ T =-43.7 △D (r2=0.704) （1-15） △ T =-0.98 △ (△P) (r2=0.932) （1-16）
文丘里施肥器临界流量实测值与计算值的对
比
有上图可以看出：
1.回归模型计算值与测试数据比较吻合，两
者的相对误差范围为0.1%~0.19%； 2.当进口压力较低时，模型精度较低； 3.当进口压力较高时，回归值与实测值吻合 较好。
1.3.5 临界压差
1.在进口压力不变的情况下，随出口压

实验装置及其布置如图1-1所示
图1-1压差式施肥灌装置示意图
为了获得施肥灌肥液浓度的变化规律，用 哈希公司产Sension 156型便携式电导率 计（测试范围：0~1999dS/m；测试精度 :±0.5%）测定其电导率，然后用实验标定 的肥液浓度与电导率的关系式（1-2）将电 导率转换为浓度： C=aEC-b （1-2） 式中：C为肥液浓度g/L;EC为肥液电导率 dS/m ；a、b分别为系数
2
0.994~0.999 0.949~0.999
1.2.2 通过施肥灌的流量与压差式的关系 一、通过施肥灌的流量q(m /h)与压差式的关 系 经回归分析得出： 10L施肥灌 q=1.05△P0.52 (r =0.999) （1-3） 30L施肥灌 q=9.81△P (r =0.999) （1-4） 65L施肥灌 q=12.20△P0.49 (r =0.999) （1-5）
力的不断升高，吸肥量会相应减少；
2.当进、出口两端得的压差降低到一定值时，
施肥器施肥过程停止，甚至会出现倒吸现象；
由回归分析得知，文丘里施肥器的临界压差
与进口压力之间的关系 可用线性方程来描述（表1-5）
施肥器类型 临界压差回归模 型
Pmin=0.65P1
Pmin=0.65P1
确定系数r2
1.4 可调比例式施肥泵水力性能
可调比例式施肥泵属于注 入式施肥装置，其工作原 理是依靠进入腔体的压力 水流和泵缸内的弹簧交替 驱动泵缸活塞，吸取与入 口流量成相应比例的肥液 量并在比例泵腔体内进行 混合后注入微灌系统，从 而完成施肥过程。
可调比例式施肥泵的应用
可调式比例泵的优点
可根据作物生长需要提供适宜的养分，依据


2.变化规律
（1）当进口压力较低时（0.05~0.10Mpa）， 国外的施肥器NF1.NF2的吸肥量高于国产的 施肥器（北京双翼SY>北京嘉源易润YR） （2）当进口压力较高时（0.20~0.50Mpa）， 4种施肥器的吸肥量都是随着压差的升高先 有一个增大的过程，随后随压差的升高逐渐 趋于平缓，即当压差达到一定值，压差的增 大对吸肥量影响不大。
驱动水泵的动力来源，可分为水压驱动和机 械驱动两种形式。
1、比例式注液器（又称定比稀释器）直接安装在供 水管上，无须电力，而以水压作为工作的动力。使 用方便，只要打开水源即可。 2、精确的比例设定，不受水流影响。外部灵活调节 比例，灵活方便。 3、泵体抗腐蚀，管间安装，使用方便。
1.4.2 入口流量与压差的关系
所需的压差，从而改变管道内的流量） 3.进口压力：采用0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.40 0.50Mpa8个水平. 4.出口压力：由0逐渐升高，共进行49个不同 进口压力组合的试验，每个组合重负3次.
5.水的作用：作储液罐内的介质； 6.何为文丘里施肥器的吸肥量？ 操作过程是调节施肥器前后的压差，待 压力稳定后，记录流量计15和12的读数，两 者的差值即为文丘里施肥器的吸肥量.
目前施肥灌溉装置可分为俩大类：
1、施肥过程中肥料的溶液浓度保持恒定 2、施肥过程中肥料溶液浓度逐渐减小。
我国常用的文丘里施肥器、比例施肥泵等 属于第一类，而压差式施肥罐属于第二类。
1.2
压差式施肥灌水力性能
肥罐的应用
内容简介：
压差式施肥灌是应用最多、操作最简便的
一种施肥装置。压差式施肥灌的进口接在 主管道的上游而出口接在下游，通过适度 关闭安装在上下游之间的节制阀形成压力 差。在压力差作用下，水流通过进水管道 直达罐底，掺混肥液，再由排液管再由节 制阀后的主管道。
3 2 0.51 2 2
q=1.17×10-3 △P0.50D2.94
3
(r2=0.999) （1-6）
式中：q为通过施肥灌的流量m /h； △P为压差 ，MPa；D为施肥灌进口直径，mm；r为相关系 数。
结论
通过施肥灌的流量与压差的平方根成正 比，与施肥灌的进口直径的三次方成正比， 进口直径越大，通过施肥灌的流量也越大。
1.3.3 吸肥量变化规律
1.“倒吸”现象

(1)定义： 当文丘里施肥器两端的压差降低到一定 程度，时国产的两种施肥器不但不吸肥，反而向储 液罐中注水，即产生“倒吸”现象。
（2）产生的原因：当压差较差时，在文丘里施肥器产
生的负压不足以将肥液吸入文丘里腔体，甚至，在喉部未 能产生负压从而导致施肥器无法正常工作。
1.3 文丘里施肥器水力性能
肥器的应用
一.文丘里施肥器 1.概述:文丘里施肥器是微灌施肥灌溉系统中 常见的一种施肥装置。 利用水流通过文丘里管产生的真空吸 力，将肥料溶液从敞口的肥料桶中均匀吸入 管道系统进行施肥。
2.简史
（1）李久生：发现当压差达到0.04Mpa时，施肥器 开始吸肥；当压差达到0.06Mpa时，肥液吸取量达 到最大。 （2) 封俊：建立了文丘里施肥器临界流量和肥液吸 入量的理论模型。 （3）沙毅：对肥液吸入量的理论模型进行了修正。 （4）侯素娟：得出计算文丘里管最大流量的公式。 （5）李百军：得出并联文丘里管流量和只管管路 局部水头损失的公式。 （6）王淼：对文丘里施肥器的结构参数进行了优 化选择。
2
为了提高肥液的测试精度，按C 大于1g/L和C 小于等于1g/L分别对式（1-2）中的系数进行了 拟合，相关参数变化范围见表1-1: 表1-1肥液浓度与电导率关系标定参数及确 定系数（r ）变化范围
C(g/L) 1~100 0~1 a 0.0844~0.0942 0.0563~0.0832 b 0.0663~0.1857 0.03100~0.0477 r
0.977
0.977 0.989 0.888
北京双翼SY
北京嘉源易润YR
以色列奈特菲姆NF1 Pmin=0.16P1 以色列奈特菲姆NF2 Pmin=0.35P1
1.3.6 结论
(1)国外公司文丘里施肥器的性能明显优于国
内产品。 （2）文丘里施肥器在正常工作时，当进口压 力较小时，施肥量随压差的升高而增大；当 进口压力较小时，受压差影响不大。 （3）文丘里施肥器临界流量和临界压差岁进 口压力的增大而增大。 （4）不同厂家文丘里施肥器的性能要有所提 高。

q
q Q
0.58
2
=3.42×10-4 △ P0.59D2.71 （1-10）
(r2=0.999)
（1-6）和（1-10）可用于估算通过施肥灌 的流量和进入微灌系统的肥料溶液浓度。
1.2.3 肥料溶液浓度随时间的变化规律
图1-3容积10L施肥灌出口 肥液相对浓度随时间的变化 过程
图1-4容积30L施肥灌出口肥 液相对浓度随时间的变化过 程

图1-8不同进口压力时文丘里施肥器吸肥量随压 差的变化
由图可得结论：
1.国外的施肥器适宜的工作压力区间较广，
吸肥量也比较稳定； 2.国产的施肥器的吸肥量不但受压差变化的 影响较大，而且工作压力区间较窄。
1.3.4 临界流量
1.定义：临界流量是指文丘里管开始吸肥 时施肥管道通过的流量，是反映施肥器 吸肥性能的一个重要指标。 2.表达式：Qmin=A1
可调比例式施肥泵的入口流量是影响其施肥性能的 重要参数，而影响入口流量的主要因素是进口压力 和进出口压差。 可用函数关系式描述Q=KP1a1 △Pb1

式中：Q为施肥主管道流量即比例泵的入口流量， m3/h；p1为进口压力，MPa；△P为压差，MPa； K为系数；a1，b1分别为指数。