溫室冷霧降溫系統的研究

趙德菱

(南京工業職業技術學院 機械工程學院，江蘇 南京 210023)

引言

冷霧降溫技術除了具有環境友好，霧化效果好，降溫效率明顯等特點外，亦是一種有效補充溫室栽培作物因蒸騰所造成的植株水分缺失，減少水分脅迫的節水灌溉方式。另外，和其它傳統降溫系統如水簾和風扇相比，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，因此作物生長環境不受栽培位置的影響，作物生長狀況均勻，便于統一管理［1］。如在設施園藝技術比較發達的日本，冷霧降溫系統推廣面積約是濕簾風機降溫系統的5 倍［2］。

目前國內外對冷霧降溫系統的研究主要針對系統在溫室中的降溫效果及效率研究［3-13］，但技術評價系統噴霧霧化過程的研究不多。本文為對溫室冷霧降溫系統進行試驗研究和理論分析，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參數，對設計的噴頭外部霧化特性參數如霧滴粒徑等，進行了馬爾文粒譜分析儀(Malvern Particle Analyzer)的測量，在此基礎上，設計一套溫室冷霧降溫霧系統，然后將系統安裝18m*42m的大棚溫室，對其降溫效果進行考核。

1 溫室冷霧降溫系統的工作原理及組成

1.1 冷霧降溫系統工作機理

冷霧降溫也稱為微霧降溫法，它的基本原理是:普通的水，經過系統自身配備過濾系統后，進入高壓泵，經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，利用水的蒸發潛熱的特點，大量吸收空氣中的熱量，然后將潮濕空氣捧出室外從而達到降溫的目的。噴霧的霧滴直徑很小，霧滴懸浮在空氣中，并迅速蒸發，不打濕地面。據國外研究資料表明:冷霧降溫與水簾降溫相比，其效率遠遠高于水簾蒸發降溫的效率［14］。冷霧降溫可適合任何大小的場合，它的運作節水、節能又無污染，系統投資成本較低，運行費用也不高，是世界上比較有效的溫室降溫技術之一。這項技術對相對濕度較低的地區和自然通風好的溫室尤為適用。

1.2 冷霧降溫系統組成

一套完整的溫室噴霧降溫系統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，噴頭是噴霧系統的關鍵設備，其作用主要是將管道內的連續水流噴射到空中，形成眾多細小霧滴，保證與空氣充分接觸。

2 噴頭的研究

2.1 噴頭的設計

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

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

現有國內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，同時造成了資源的浪費。

針對目前國內外噴頭的缺點，本文對噴頭進行了再設計，首次提出了將三種不同材質的硬質不銹鋼噴針、紅寶石噴嘴、銅質噴頭體有機地組合在一起，并采用內嵌式粘接工藝，使得三者連接可靠。在試驗的基礎上，對噴頭進行了優化設計，確定了噴頭的各個設計參數，并設計加工工藝，研制了具有自主知識產權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。至于綠色設計的理念，在寶石噴嘴損壞或堵塞、噴針損壞的情況下，噴頭體可循環使用，從而大大降低了系統投資成本和運行成本。

圖1 寶石噴嘴噴頭

2.2 噴頭的試驗

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

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

流量技術能采樣和計量在一定時間間隔內經過選樣體積中的單個霧滴，是一種數量流量稱重測量技術。PDPA和PMS是兩個利用該種技術的系統。由于流量測量技術易忽略檢測到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。所以這種技術在測量霧滴時，容易在測量霧滴分布時，影響測量的誤差［16］。考慮到上述的原因，試驗選擇了馬爾文粒譜分析儀，試驗設備的連接圖如圖2所示。

圖2 試驗設備的連接圖

2.3 試驗參數的選擇

對溫室冷霧降溫系統來說最重要的因素是被用來蒸發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。基于上述兩點的考慮，SMD和D90霧滴直徑是溫室降溫非常重要的兩個參數。為了說明這兩個參數的重要性。

SMD:以噴霧產生的表面面積來表示噴霧精細度。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，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%時所對應的霧滴直徑。

為了了解新設計噴頭的質量，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，結果如圖3所示。

圖3 噴頭前500mm處的霧滴與壓力關系曲線

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。試驗結果表明，對這種噴頭而言，當壓力達到一定的限度后，單純靠提高噴霧壓力已不能達到減小霧化液滴直徑的目的。

為進一步了解噴頭的霧化分布，試驗還測量噴頭前500mm截面上的霧滴分布，試驗在噴霧壓力13MPa下進行的，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。測量不同位置點上霧滴直徑關系的結果如圖4所示。

圖4 噴頭霧型截面霧滴分布

從圖4試驗結果得出，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速度很高，強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，這是因為小的霧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 溫室冷霧降溫系統設計與試驗

為了檢驗該系統的實地降溫效果，針對江蘇蘇南地區夏季溫室高溫的特點，設計了一套冷霧降溫系統。該系統在室內大量試驗的基礎上，又將其安裝在溫室內進行了實地試驗，結果證實了該系統降溫效果明顯。

3.1 溫室的結構

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

圖5 試驗溫室

3.2 溫室冷霧降溫系統的設計

為滿足溫室夏季降溫所需的噴霧蒸發量，所采用的噴霧設備應達到相應的噴霧強度，噴霧強度為噴霧系統或設備在單位時間及單位面積內所噴出的水的質量。有效降溫或蒸發的理想霧滴直徑大小介于0.5～50um之間;溫室平面內理想的噴霧量是0.5 ～1.2l/m2·h［10］。不同的氣象條件所需要的溫室通風流量和噴霧強度不同。根據噴頭的流量及安裝成本等因素確定溫室內的噴頭數:126個，安裝間距為1m。經過驗算，設計溫室的噴霧強度為0.8l/m2·h，介于理想噴霧量是0.5～1.2l/min/m2·h之間。

3.3 其它部分的設計

降溫系統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、控制器設計成一個整體放在支架上，其結構如圖6所示。

圖6 供水水源部分的結構

根據噴頭的流量及噴頭數，計算出溫室中總的需水量來選擇泵。根據所選擇泵的外形大小和水箱的大小來設計支架，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，當水箱內的水位低過水位開關時，系統控制電路斷電，以防止泵在無水時的空轉。另外系統通過安裝在溫室內溫度傳感器或濕度傳感器獲得的溫室溫度或濕度與設定的值比較來控制泵的開關。

根據噴頭數和溫室的結構，確定分四條管路，噴頭間隔均勻排列管路上，間距為1.2m。噴頭噴霧方向為水平。噴頭及管路的安裝高度考慮霧滴蒸發不淋濕地面或作物及安裝因素，通過計算及設計確定為2m，如圖6所示。

3.4 溫室冷霧降溫系統的試驗

為了檢驗該系統的實地降溫效果，分別測量降溫溫室內、室外及非降溫溫室內的溫度、濕度及風速。降溫溫室選用2個以上測點，非降溫溫室用1個以上測點，室外用1個測點，每個測點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時間內的濕度為45%左右，開機后降溫溫室內的濕度在70%以上。當天的風速3～4級，平均約6.5米/秒。測量的結果經數據處理后如下圖7。

圖7 兩個溫室內溫度曲線的比較

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

4 結論

(1)本文針對目前國內外噴頭在高壓噴降溫系統中存在的問題，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投資成本和運行成本。

(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參數。對設計的噴頭外部霧化特性參數如霧滴粒徑等，比較不同的測量方法，并選擇馬爾文粒譜分析儀進行測量。試驗研究表明: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行。

(3)設計了一套冷霧降溫系統，通過試驗檢驗系統在溫室大棚中的降溫效果。試驗結果表明:在自然通風和一定的氣象條件下，在夏季高溫季節里，在溫室中使用冷霧降溫系統，可有效地降低溫室內的溫度，有利于作物的正常生長。

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