趙德菱

(南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210023)

引言

冷霧降溫技術(shù)除了具有環(huán)境友好，霧化效果好，降溫效率明顯等特點(diǎn)外，亦是一種有效補(bǔ)充溫室栽培作物因蒸騰所造成的植株水分缺失，減少水分脅迫的節(jié)水灌溉方式。另外，和其它傳統(tǒng)降溫系統(tǒng)如水簾和風(fēng)扇相比，高壓噴霧方式由于是自頂而下的噴灑，不存在水平方向上的梯度場，因此作物生長環(huán)境不受栽培位置的影響，作物生長狀況均勻，便于統(tǒng)一管理［1］。如在設(shè)施園藝技術(shù)比較發(fā)達(dá)的日本，冷霧降溫系統(tǒng)推廣面積約是濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)的5 倍［2］。

目前國內(nèi)外對冷霧降溫系統(tǒng)的研究主要針對系統(tǒng)在溫室中的降溫效果及效率研究［3-13］，但技術(shù)評價(jià)系統(tǒng)噴霧霧化過程的研究不多。本文為對溫室冷霧降溫系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究和理論分析，選擇并分析適合描述溫室降溫的霧滴直徑SMD、D90作為非常重要的兩個試驗(yàn)參數(shù)，對設(shè)計(jì)的噴頭外部霧化特性參數(shù)如霧滴粒徑等，進(jìn)行了馬爾文粒譜分析儀(Malvern Particle Analyzer)的測量，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套溫室冷霧降溫霧系統(tǒng)，然后將系統(tǒng)安裝18m*42m的大棚溫室，對其降溫效果進(jìn)行考核。

1 溫室冷霧降溫系統(tǒng)的工作原理及組成

1.1 冷霧降溫系統(tǒng)工作機(jī)理

冷霧降溫也稱為微霧降溫法，它的基本原理是:普通的水，經(jīng)過系統(tǒng)自身配備過濾系統(tǒng)后，進(jìn)入高壓泵，經(jīng)過高壓泵的水加壓到6MPa以上，通過管路，流過面積非常小的噴嘴(直徑小于0.2mm)，形成直徑為微米級的細(xì)霧滴，霧滴彌漫整個溫室，并盡可能與空氣混合，利用水的蒸發(fā)潛熱的特點(diǎn)，大量吸收空氣中的熱量，然后將潮濕空氣捧出室外從而達(dá)到降溫的目的。噴霧的霧滴直徑很小，霧滴懸浮在空氣中，并迅速蒸發(fā)，不打濕地面。據(jù)國外研究資料表明:冷霧降溫與水簾降溫相比，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水簾蒸發(fā)降溫的效率［14］。冷霧降溫可適合任何大小的場合，它的運(yùn)作節(jié)水、節(jié)能又無污染，系統(tǒng)投資成本較低，運(yùn)行費(fèi)用也不高，是世界上比較有效的溫室降溫技術(shù)之一。這項(xiàng)技術(shù)對相對濕度較低的地區(qū)和自然通風(fēng)好的溫室尤為適用。

1.2 冷霧降溫系統(tǒng)組成

一套完整的溫室噴霧降溫系統(tǒng)通常主要由兩大部分組成:水源部分和噴霧部分。水源部分主要由水箱、過濾器、高壓泵、管路、控制器組成;噴霧部分主要由冷霧噴頭和管路組成。其中，噴頭是噴霧系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其作用主要是將管道內(nèi)的連續(xù)水流噴射到空中，形成眾多細(xì)小霧滴，保證與空氣充分接觸。

2 噴頭的研究

2.1 噴頭的設(shè)計(jì)

冷霧降溫系統(tǒng)在我國推廣應(yīng)用還不普及，其中的一個原因是目前我國國產(chǎn)的噴頭質(zhì)量和耐久性還不盡如人意，主要依賴于進(jìn)口，所以其投資成本較高。

噴頭是冷霧降溫系統(tǒng)中的核心部件，噴頭的好壞決定溫室冷霧降溫系統(tǒng)的降溫效率等一切因素。同時(shí)噴頭的成本占整個系統(tǒng)投資將近二分之一，而且噴頭是易損件，其維修成本幾乎是系統(tǒng)維修的總成本。

現(xiàn)有國內(nèi)外常用的噴頭各部分都由不銹鋼組成，制造成本非常大，而且噴嘴在使用過程中容易磨損，使用后容易堵塞。磨損和堵塞減少噴頭使用壽命，同時(shí)造成了資源的浪費(fèi)。

針對目前國內(nèi)外噴頭的缺點(diǎn)，本文對噴頭進(jìn)行了再設(shè)計(jì)，首次提出了將三種不同材質(zhì)的硬質(zhì)不銹鋼噴針、紅寶石噴嘴、銅質(zhì)噴頭體有機(jī)地組合在一起，并采用內(nèi)嵌式粘接工藝，使得三者連接可靠。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對噴頭進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了噴頭的各個設(shè)計(jì)參數(shù)，并設(shè)計(jì)加工工藝，研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型噴頭并申請了專利，如圖1。從而使得噴頭制造成本大大降低，使用壽命大大提高。至于綠色設(shè)計(jì)的理念，在寶石噴嘴損壞或堵塞、噴針損壞的情況下，噴頭體可循環(huán)使用，從而大大降低了系統(tǒng)投資成本和運(yùn)行成本。

圖1 寶石噴嘴噴頭

2.2 噴頭的試驗(yàn)

近年來，激光測霧技術(shù)的發(fā)展主要在以下幾個方面，即利用粒子散射、衍射原理發(fā)展的激光散射衍射測霧技術(shù)，利用激光全息原理發(fā)展的全息照相測霧技術(shù)和利用激光干涉多普勒測速原理發(fā)展的相位多普勒測速、測霧技術(shù)。所有這些技術(shù)目前都隨著測量元件和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展而日趨完善，已經(jīng)滿足對霧化特性實(shí)驗(yàn)研究和工程測量的需要。

有兩種目前常用激光散射技術(shù)來測量噴霧霧滴的大小，分別是空間技術(shù)測量法(the spatial technique)和流量技術(shù)測量法(the flux technique)?？臻g技術(shù)能迅速采樣在一個給定體積內(nèi)的大量的霧滴，這是一種數(shù)量密度稱重測量技術(shù)(a number-densityweighted technique)。Malvern公司和 Imaging Systems公司是目前兩家具有這種技術(shù)設(shè)備的著名生產(chǎn)商［15］。

流量技術(shù)能采樣和計(jì)量在一定時(shí)間間隔內(nèi)經(jīng)過選樣體積中的單個霧滴，是一種數(shù)量流量稱重測量技術(shù)。PDPA和PMS是兩個利用該種技術(shù)的系統(tǒng)。由于流量測量技術(shù)易忽略檢測到100微米及以上的霧滴，同樣可忽略1000個由10微米組成的霧滴群。所以這種技術(shù)在測量霧滴時(shí)，容易在測量霧滴分布時(shí)，影響測量的誤差［16］?？紤]到上述的原因，試驗(yàn)選擇了馬爾文粒譜分析儀，試驗(yàn)設(shè)備的連接圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備的連接圖

2.3 試驗(yàn)參數(shù)的選擇

對溫室冷霧降溫系統(tǒng)來說最重要的因素是被用來蒸發(fā)的水霧滴的表面積和最大噴霧霧滴直徑。霧滴的表面積影響噴頭的降溫效率，大的霧滴容易影響溫室中的生長作物和打濕地面。基于上述兩點(diǎn)的考慮，SMD和D90霧滴直徑是溫室降溫非常重要的兩個參數(shù)。為了說明這兩個參數(shù)的重要性。

SMD:以噴霧產(chǎn)生的表面面積來表示噴霧精細(xì)度。索特平均直徑是一粒液滴的直徑，該液滴的體積與表面積之比和所有液滴的總體積與總表面積之比相等。

D90:用被噴霧液體的體積來表示液滴大小。依照體積測量時(shí)，全部霧滴的體積從小到大順序累積，以累積值等于總體積的90%時(shí)所對應(yīng)的霧滴直徑。

為了了解新設(shè)計(jì)噴頭的質(zhì)量，用馬爾文粒譜分析儀(Malvern Particle Analyzer)測量了頭前500mm霧滴D32和D90在不同壓力下的分布，結(jié)果如圖3所示。

圖3 噴頭前500mm處的霧滴與壓力關(guān)系曲線

圖3可知，隨著噴霧壓力的升高，霧化液滴的各種直徑均降低。說明壓力越高，霧化效果越好。當(dāng)壓力增大到一定的程度后，霧化液滴的粒徑分布趨于平緩。試驗(yàn)結(jié)果表明，對這種噴頭而言，當(dāng)壓力達(dá)到一定的限度后，單純靠提高噴霧壓力已不能達(dá)到減小霧化液滴直徑的目的。

為進(jìn)一步了解噴頭的霧化分布，試驗(yàn)還測量噴頭前500mm截面上的霧滴分布，試驗(yàn)在噴霧壓力13MPa下進(jìn)行的，噴霧射擊入的是靜止空氣。測量位置分別取離噴霧軸中心對稱的 0，10，20，30，40，50mm。測量不同位置點(diǎn)上霧滴直徑關(guān)系的結(jié)果如圖4所示。

圖4 噴頭霧型截面霧滴分布

從圖4試驗(yàn)結(jié)果得出，Z軸中心處的霧滴小，霧滴隨著直徑方向的增大而增加，邊緣處霧滴直徑最大。霧滴在噴霧型的軸中心要比霧型的邊緣處要小。這是由于霧滴離開噴頭噴針處時(shí)速度很高，強(qiáng)制的氣流沖擊使得更小的霧滴到了噴霧一中央;在直徑方向，霧滴隨著直徑方向的增大而增加，這是因?yàn)樾〉撵F滴的隨著氣流移動到軸中央，而大的霧滴維持起始的軌跡而在霧型的邊緣方向。另外氣流速度也影響霧滴的大小。

3 溫室冷霧降溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)該系統(tǒng)的實(shí)地降溫效果，針對江蘇蘇南地區(qū)夏季溫室高溫的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套冷霧降溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)在室內(nèi)大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，又將其安裝在溫室內(nèi)進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)了該系統(tǒng)降溫效果明顯。

3.1 溫室的結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)溫室位于江蘇省蘇南某農(nóng)業(yè)示范基地，為華東型塑料三連棟溫室，內(nèi)裝有內(nèi)遮蔭幕。溫室面積為18m*42m，溫室肩高2.5m，脊高3m，跨度6m，共3跨，長42m。溫室的側(cè)面有1m寬通風(fēng)口，室內(nèi)放有各種盆栽花卉，溫室外覆蓋透光材料為0.15mm厚單層聚乙烯無滴膜。試驗(yàn)溫室如圖5。

圖5 試驗(yàn)溫室

3.2 溫室冷霧降溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為滿足溫室夏季降溫所需的噴霧蒸發(fā)量，所采用的噴霧設(shè)備應(yīng)達(dá)到相應(yīng)的噴霧強(qiáng)度，噴霧強(qiáng)度為噴霧系統(tǒng)或設(shè)備在單位時(shí)間及單位面積內(nèi)所噴出的水的質(zhì)量。有效降溫或蒸發(fā)的理想霧滴直徑大小介于0.5～50um之間;溫室平面內(nèi)理想的噴霧量是0.5 ～1.2l/m2·h［10］。不同的氣象條件所需要的溫室通風(fēng)流量和噴霧強(qiáng)度不同。根據(jù)噴頭的流量及安裝成本等因素確定溫室內(nèi)的噴頭數(shù):126個，安裝間距為1m。經(jīng)過驗(yàn)算，設(shè)計(jì)溫室的噴霧強(qiáng)度為0.8l/m2·h，介于理想噴霧量是0.5～1.2l/min/m2·h之間。

3.3 其它部分的設(shè)計(jì)

降溫系統(tǒng)主要由供水部分和帶噴頭的管路組成。考慮方便、操作等因素，將水源部分中水箱、過濾器、高壓泵、管路、控制器設(shè)計(jì)成一個整體放在支架上，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 供水水源部分的結(jié)構(gòu)

根據(jù)噴頭的流量及噴頭數(shù)，計(jì)算出溫室中總的需水量來選擇泵。根據(jù)所選擇泵的外形大小和水箱的大小來設(shè)計(jì)支架，再加上溫室高濕的特性，支架的材料選用不銹鋼，以防銹。支架分三部分:最下部分安裝泵，上部分安裝電器控制箱，中部分安裝水箱，水箱用來裝經(jīng)過微米級過濾過的水，以防噴頭阻塞。水箱的大小一般為40l左右，水箱的底部也裝有低水位開關(guān)，當(dāng)水箱內(nèi)的水位低過水位開關(guān)時(shí)，系統(tǒng)控制電路斷電，以防止泵在無水時(shí)的空轉(zhuǎn)。另外系統(tǒng)通過安裝在溫室內(nèi)溫度傳感器或濕度傳感器獲得的溫室溫度或濕度與設(shè)定的值比較來控制泵的開關(guān)。

根據(jù)噴頭數(shù)和溫室的結(jié)構(gòu)，確定分四條管路，噴頭間隔均勻排列管路上，間距為1.2m。噴頭噴霧方向?yàn)樗健婎^及管路的安裝高度考慮霧滴蒸發(fā)不淋濕地面或作物及安裝因素，通過計(jì)算及設(shè)計(jì)確定為2m，如圖6所示。

3.4 溫室冷霧降溫系統(tǒng)的試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)該系統(tǒng)的實(shí)地降溫效果，分別測量降溫溫室內(nèi)、室外及非降溫溫室內(nèi)的溫度、濕度及風(fēng)速。降溫溫室選用2個以上測點(diǎn)，非降溫溫室用1個以上測點(diǎn)，室外用1個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)置在最高作物的上方，離地高度為1m。其它的一些因素為:非降溫室及室外的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)的濕度為45%左右，開機(jī)后降溫溫室內(nèi)的濕度在70%以上。當(dāng)天的風(fēng)速3～4級，平均約6.5米/秒。測量的結(jié)果經(jīng)數(shù)據(jù)處理后如下圖7。

圖7 兩個溫室內(nèi)溫度曲線的比較

從上圖表知:保持溫室好的通風(fēng)條件下使用降溫設(shè)備后，對照溫室相比，最大降溫溫度為8℃，測試時(shí)間內(nèi)的平均降溫達(dá)6℃左右。在保持溫室好的通風(fēng)條件下使用降溫設(shè)備后，對照室外相比，最大降溫溫度為7℃，測試時(shí)間內(nèi)的平均降溫達(dá)6℃左右。

4 結(jié)論

(1)本文針對目前國內(nèi)外噴頭在高壓噴降溫系統(tǒng)中存在的問題，研制出了新型噴頭，使得噴頭制造成本大大降低，使用壽命提高，從而大大降低了系統(tǒng)投資成本和運(yùn)行成本。

(2)選擇并分析適合描述溫室降溫的霧滴直徑SMD、D90作為非常重要的兩個試驗(yàn)參數(shù)。對設(shè)計(jì)的噴頭外部霧化特性參數(shù)如霧滴粒徑等，比較不同的測量方法，并選擇馬爾文粒譜分析儀進(jìn)行測量。試驗(yàn)研究表明:隨著噴霧壓力的升高，霧化液滴的各種直徑均降低，說明壓力越高，霧滴直徑越小，霧化效果越好。另外就同一不同的測位置對霧滴的大小和霧滴的分布影響進(jìn)行。

(3)設(shè)計(jì)了一套冷霧降溫系統(tǒng)，通過試驗(yàn)檢驗(yàn)系統(tǒng)在溫室大棚中的降溫效果。試驗(yàn)結(jié)果表明:在自然通風(fēng)和一定的氣象條件下，在夏季高溫季節(jié)里，在溫室中使用冷霧降溫系統(tǒng)，可有效地降低溫室內(nèi)的溫度，有利于作物的正常生長。

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