基于毛細現象的栽培裝置供水試驗

葉旭明, 李志強

(沈陽大學 機械工程學院, 遼寧 沈陽 110044)

盆栽已成為快節奏、高壓力的城市中的人們放松心情、緩解壓力、放慢生活節奏的有效途徑[1].但是盆栽的養植需要人員看護,這就給忙碌的上班族,尤其是長時間出差人員帶來不便.長時間不澆水不利于植物生長,甚至導致植物死亡.因此需要一種簡便的持續自動供水栽培裝置,保證植物根系按需吸收水分.

目前,有學者對利用毛細現象原理為植物供水進行了研究.劉煜祥[2]、賽得爾丁·帕爾丁等[3]就是利用這一原理提出了毛細管帶供水技術,其實質是無土栽培與工程節水相融合.這種栽培模式能夠突出毛細管帶的作用,不僅節約人力物力、節約資源,還避免了廢液產生,對環境影響相對較小,是最佳的澆灌方式之一[4].郭思棟[5]則利用毛細現象原理,設計了一種自動續水的花盆,使水可以自動從下盆向上盆運動,保證了盆栽充足的水分.

懶人養植是針對喜愛養植盆栽但又沒有太多精力照顧盆栽的人群設計的栽培方式,其實質為通過自動澆灌進而減少人力、物力,從而達到懶人養植的效果.現在市面上有很多專門為懶人養植設計的自動澆灌裝置,但其價格較高,且結構較為復雜,不便于安裝.利用毛細現象原理設計的自動供水栽培裝置價格低廉、安裝簡易.

1 毛細現象的原理

毛細現象是由表面張力和表面浸潤現象共同引起的.當毛細介質放置于水中時,水滴開始快速地各向分散,分布在毛細介質的所有空隙內,使水產生這種運動的是毛細力[6].在窄小的毛細管中,液體會形成一個彎曲表面,在表面張力及液體重力的共同作用下,使得毛細管中的液面升高或降低[7].

根據靜力學原理[8],作用在垂直毛細管液柱上力的作用公式如下:

式中:F為表面張力,N;G為液體重力,N;r為毛細管半徑,m;σ為表面張力系數,N/m;θ為液汽接觸角,(°);ρ0為液體密度,kg· m-3;g為重力加速度,m·s-2;h為毛細管中對于液面自由表面的液柱高度,m.

由于差值ΔF的作用,使得液面產生運動,并且ΔF越大,液面沿毛細管運動的高度越高,隨著ΔF值慢慢減小,液面沿毛細管運動的高度就會慢慢降低,毛細管內液面上升速度也會隨著上升高度的增加而減慢.當F=G時,毛細管內的自由液面就會達到平衡,此時F-G=0,即2πrσcosθ-ρ0πr2hg=0.由這個平衡方程亦可確定毛細管內液面上升的最大高度值

(4)

從式(4)中可以看出h與ρ0、r成反比.當ρ0一定時,r就成了唯一影響其高度的因素,r越大,毛細管中對于液面自由表面的液柱高度h越低;r越小,毛細管中對于液面自由表面的液柱高度h越高.由于盆栽的需水量一般較大,所以需要大直徑管道對盆栽進行供水,而大直徑管道作為毛細管半徑相對過大,毛細管中對于液面自由表面的液柱高度則趨近于0.因此,本文在大直徑的管道中填充入毛細介質,降低毛細管半經,提高液面自由表面的液柱高度,從而保證盆栽的需水要求.

2 毛細試驗

2.1 試驗裝置

試驗裝置主要由水箱、木板、管道固定裝置 及填充入毛細介質的供水管道組成,試驗裝置布置如圖1所示.

圖1 試驗裝置布置圖Fig.1 Layout of test device

將3個大小相等的透明水箱裝滿水,模擬自動供水栽培裝置的盛水盆,并分別編號為A組、B組、C組進行對比試驗.A組放入3個內徑為8 mm 的供水管道;B組放入3個內徑為16 mm的供水管道;C組放入3個內徑為30 mm的供水管道.其中A1、B1、C1中的毛細介質為脫脂棉,A2、B2、C2中的毛細介質為海綿,A3、B3、C3中的毛細介質為紗布.管道固定裝置是為了支撐并固定供水管道,防止供水管道發生偏移或傾倒.

2.2 試驗材料

本試驗從材料的經濟性與普遍性角度出發,選取脫脂棉、海綿及紗布3種材料作為毛細介質.在養植過程中水分過多易造成植物缺氧、爛根,水分過少植物易干枯.為保證盆栽植物的需水量,本試驗選用內徑分別為8、16、30 mm,且長度均為1 000 mm 的PVC透明管各3根作為供水管道.其他材料還包括長、寬、高分別為240、160、150 mm 的水箱3個,量程為100 cm的刻度尺1個,掛壁式溫度計1個及管道固定裝置1個.

2.3 試驗方法及過程

本試驗基于毛細現象原理,利用脫脂棉、海綿及紗布中微細孔隙形成的無數毛細管,在毛細管中表面張力的牽引下,使液面持續上升,直至水所受的重力與其上升的力達到平衡狀態時水停止上升.此時,水的上升高度則為毛細管內液面的上升高度.

試驗時首先將水箱放在水平的木板上注滿水,將填充入毛細介質的供水管道利用固定裝置固定在木板上,使其垂直于木板,然后將9個供水管道同時豎直放入水箱內,且浸潤水中的供水管道長度均為10 cm.

試驗數據測量周期為8 d,試驗過程中,每隔12 h測量1次各個供水管道中水的上升高度,測量時將刻度尺的0刻度與浸潤在水中的供水管道的頂端對齊,然后讀取供水管道中水的上升高度,并記錄下來.

2.4 試驗結果

本試驗為室內試驗,室內的溫度保持在20 ℃左右,溫度變化對此次試驗的影響可以忽略不計,由于毛細介質填充在PVC供水管道內,可減少蒸發作用的影響,因此試驗數據誤差相對較小.試驗數據記錄如表1～表3所示.

表1 內徑8 mm供水管道中不同毛細介質內液面上升高度

表2 內徑16 mm供水管道中不同毛細介質內液面上升高度值

表3 內徑30 mm供水管道中不同毛細介質內液面上升高度值

3 試驗數據分析

3.1 毛細管內液面上升變化過程

通過試驗研究發現,毛細管中水的上升過程可分潤濕、擴散、飽和、再擴散4個階段.水初次與毛細介質表面接觸時毛細介質的吸水能力非常強,在毛細力的作用下毛細介質空隙被水分迅速填充,然后水通過毛細介質內表面張力的牽引快速向各個孔隙內擴散,當孔隙中充滿足夠的水分子之后,再次利用壓差和水與管道壁的表面張力作用使水分子繼續向上擴散到其他孔隙中,直至達到平衡狀態.

3.2 毛細管內液面上升高度對比

毛細管內水的上升過程與滲透過程十分相似,因此毛細管內水的上升運動也符合一定的非線性函數關系.根據試驗記錄的數據,對試驗中毛細管內水的上升高度與時間的關系利用JMP(數據分析)軟件進行擬合,擬合結果如圖2所示.

圖2 不同內徑供水管道中不同毛細介質內液面高度隨時間的變化情況

從圖2的數據對比中發現,脫脂棉的吸水高度明顯高于其他2種,紗布次之,海綿中液面上升高度最低.可以得出脫脂棉的毛細吸水能力高于海綿和紗布,且優勢明顯的結論.從圖2中還可以看出毛細管內水的上升高度隨著管道直徑的減小而增加,內徑為8 mm的供水管道內水上升到最高高度的速度最快,且高度最高,內徑為16 mm的供水管道次之,內徑為30 mm的供水管道相對較差,造成這一現象的原因是由于管徑越小,液汽接觸角θ越小,使得表面張力逐漸增大,水在表面張力的作用下向上升高,直至達到平衡狀態.

試驗初始時介質的含水率比較小,毛細介質的吸水能力很強,表面張力較大,因此在試驗開始時毛細管內水的上升的速度非常快,但隨著時間的增加,毛細介質的含水率逐漸增大,吸水能力逐漸減小,并且毛細管內的水受到的重力也慢慢增加,表面張力作用在液面上的向上牽引力逐漸減小,因此高度的增長速度不斷變小,同時水又受到重力的作用,當表面張力與重力相等時水最終達到平衡高度,水的上升高度也最終停止,達到平衡狀態.

4 結 論

本文實現了以脫脂棉、海綿及紗布作為介質的毛細上升高度的測量.從供水采用材料的角度分析:若將脫脂棉作為毛細介質,分別選擇內徑為8、16和30 mm的PVC管道作為自動供水管道時,為滿足植物的生長需求,栽培裝置距離盛水盆的高度應分別低于50.4、41.4和36.8 cm;若將海綿作為毛細介質,分別選擇內徑為8、16和30 mm的PVC管道作為自動供水管道時,栽培裝置距離盛水箱最高高度應分別小于26.8、27.6和16.3 cm;若將紗布作為毛細介質,分別選擇內徑為8、16和30 mm的PVC管道作為自動供水管道時,栽培裝置距離盛水箱的最高高度應分別低于38.5、36.3和33.9 cm.通過試驗分析,基于毛細現象的供水方式不僅成本較低,而且制作簡單,同時節省了人力物力、節約自然資源,并且能夠達到良好的供水效果,滿足植物的需水要求,可以為無暇照顧盆栽的人群提供一種解決方式.