Методы и средства повышения эффективности работы системы испарительного охлаждения и доувлажнения воздуха в теплице

Между тем, период потребления овощей, выращиваемых в открытом грунте, особенно огурцов и томатов, которые не могут храниться длительное время, ограничивается 2.4 месяцами в году.

Продолжительность этого периода может быть увеличена только за счет производства указанной продукции в любое время в теплицах.

Развитию тепличного оющеводства должное внимание уделяется в решениях съездов и пленумов нашей партии, постановлениях правительства. В частности, в Постановлении ХХУ1 съезда КПСС по проекту ЦК КПСС «Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года» указано: «.расширить тепличное хозяйство, особенно с использованием тепловых отходов промышленных предприятий и термальных вод».". Как было подчеркнуто в речи товарища Ю. В, Андропова на ноябрьском пленуме ЦК КПСС (1982 г.) «.в развитии агропромышленного комплекса второстепенных задач нет». /3/.

За последние годы в нашей стране создана материально-техническая база для производства конструкций и оборудования теплиц, что позволило увеличить площади и масштабы их строительства. Если в 1980 г. их было около 7415 га, то в 1985 г. планируется довести площади теплиц до 11 000 га.

Значительные успехи, достигнутые в развитии сельскохозяйственного производства за годы девятой и десятой пятилеток позволили значительно увеличить производство овощей, несмотря на крайне неблагоприятные погодные условия. Производство продукции сельского хозяйства возрастет за годы одиннадцатой пятилетки в 3,3 раза по срашению с десятой пятилеткой и достигнет 17 млн. тонн, что позволит полностью обеспечить потребности населения в овощах /1,2,3,4/.

Рост производства должен быть достигнут не только за счет применения новых высокоурожайных сортов, но и за счет повышения эффективности использования имеющихся производственных площадей.

Увеличение объема производства овощей в защищенном грунте может быть достигнуто за счет решения вопросов комплексной механизации и автоматизации всех технологических процессов, за счет создания оптимальных параметров среды в теплице, способствующих увеличению урожайности культур, сохранению от гибели рассады, обеспечению заданного изменения параметров микроклимата в зависимости от возраста и вида культур /5,6,7,8,9,25/.

Из многообразия параметров, определяющих урожайность овощных культур в теплице, осноншми являются температура и влажность воздуха. В зимних и весенне-летних теплицах, получивших наибольшее распространение в последнее время, для создания заданных по агро-требованиям температурно-влажностных условий применяют различное технологическое оборудование. Для систем по стабилизации температуры используются отопительно-вентиляционные устройства, состоящие в общем случае из систем водяного отопления нижнего и верхнего яруса (контура) и приточи о-вытяжной вентиляции, обеспечивающей подачу воздуха в объем теплицы.

Однако за счет того, что колебания внешних условий (температуры и относительной влажности наружного воздуха, уровня солнечной радиации, скорости и направления ветра) происходят в очень широких пределах, температура и влажность воздуха внутри теплицы, температура растений, особенно в весенне-летнее время также колеблется в широких пределах, выходящих за интервалы, указанные в агротре-бованиях. Все это сказывается на урожайности и качестве продукции, увеличивает энергозатраты и ведет к снижению рентабельности выращивания овощей в защищенном грунте. Для борьбе с перегревом растений под действием избыточной солнечной радиации применяют различные методы и средства. Для поддержания относительной влажности используют системы вентиляции с одновременной подачей в смесительные камеры наружного и увлажненного с помощью специальных устройств воздуха. Эффективность таких систем зависит от целого ряда причин, в том числе от режима работы. Кроме того, эти системы должны обеспечивать равномерные температурные и Елажност-ные поля для обеспечения высокой урожайности всех растений, независимо от их нахождения в теплице.

В связи с изложенным, обеспечение заданного тепло влажно с т-ного режима в теплицах является актуальной задачей.

Целью настоящей диссертации является повышение эффективности работы оборудования испарительного охлаждения и доувлажнения (СИОД) воздуха при использовании форсунок низкого давления за счет обоснования режимов работы и разработки специальных средств контроля диаметра и количества влаги на повэрхности листа растения.

В диссертации разработаны методы выбора режимов работы СИОД воздуха на основе анализа процессов изменения температуры и влажности воздуха в теплице. Получены аналитические и экспериментальные зависимости скорости испарения влаги с поверхности растений. На основе этого разработана номограмма для инженерного расчета режимов СИОД воздуха. Исследован процесс испарения капель влаги с поверхности листа растения и установлена зависимость скорости испарения от температуры и влажности воздуха, освещенности, транспирации, температуры растений и типа форсунок.

На основе выполненных теоретических исследований созданы средства контроля, позволяющие выбирать режим работы СИОД воздуха и формировать температурно-влажностные параметры воздуха в соответствии с агротехническими требованиями. Экспериментальными методами определены параметры средств контроля и их конструктивные и структурные схемы. Полученные результаты использованы при разработке:

— агротехнических требований на оборудование для увлажнения и испарительного охлаждения воздуха в зимних теплицах и составление заявки на разработку и освоение продукции «Оборудование для испарительного охлаждения» ;

— технических требований на преобразователь поверхностной влаги листа;

— технических требований на комплект преобразователей температуры теплиц;

— технических требований на преобразователь наличия осадков;

— технических требований на преобразователь относительной влажности воздуха;

— агротехнических требований на комплект электротехнического оборудования для автоматического управления микроклиматом в зимних теплицах на базе управляющего вычислительного комплекса.

Исследования, положенные в основу диссертационной работы выполнены автором в отделе моделирования технологических процессов и экспериментальных исследований, опытной теплице НИПТИМЗСХ НЗ РСФСР и теплицах совхоза «Колпинский», СПО «Лето» в IS76. 1983 гг в соответствии с планом научно-исследовательских работ НИПТИМЗСХ НЗ РСФСР, координационным планом ГКНТ (проблемы 051.18 0. 51. 21) и Распоряжением Совета Министров СССР № 963р от 20.05.81 г.

Результаты, полученные при выполнении исследований защищены четырьмя авторскими свидетельствами на изобретения, двумя положительными решениями по заявкам на предполагаемые изобретения и опубликованы в пятнадцати работах.

Научным консультантом при подготовке диссертации являлся старший научный сотрудник лаборатории автоматизации защищенного грунта кандидат технических наук Литновскик Геннадий Васильевич.

На защиту выносятся:

I. Математическое описание зависимостей режимов работы СКОД воздуха и температурно-влажностных режимов теплицы. Методика расчета скорости испарения капель влаги с поверхности листа с учетом влияния дефицита влаги воздуха, температуры растений, уровня солнечной радиации и размеров и количества капель на поверхности листа растения.

3. Номограмма для определения режимов работы СИОД воздуха по скорости испарения капель влаги в зависимости от параметров микроклимата и диаметра и количества капель на листе растения.

Методика расчета параметров средств контроля диаметра и количества капель на поверхности листа растения.

5. Макетный образец средств контроля качества распыла Благи фо рсунками.

ГЛАЖ I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

I.I. ВЛИЙНИЕ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ РАСТЕНИЙ НА ПАРАМЕТРЫ МИКРОКЛИМАТА ТЕПЛИЦЫ И РАБОТУ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЙ.

Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования /10.18/, опыт эксплуатации теплиц /19.24/ убедительно показывает, что благоприятные условия жизнедеятельности растений, наряду с высокой культурой земледелия, являются определяющими факторами роста урожайности тепличной продукции.

Тесная взаимосвязь в замкнутом объеме теплицы между параметрами микроклимата, режимами работы оборудования и жизнедеятельностью растений требует проведения специальных исследований, целью которых является повышение эффектишости работы инженерного оборудования.

Исследование влияния ряда факторов, таких как свет, влага, температура воздуха и почвы, на рост и развитие растения проводилось в климатических камерах, фитатронах и других сооружениях с искусственным климатом. Однако, полученные при этом данные, дающие ценные сведения о влиянии отдельных факторов на жизнедеятельность растений, трудно перенести в производственные условия /10/, из-за невозможности обеспечить полную идентификацию процессов в климокамерах и реальной теплице.

Процесс фотосинтеза, определяющий рост и развитие растения может происходить с большей или меньшей скоростью в зависимости от внешних климатических условий. При этом растения создают органическое вещество, поглощая солнечную энергию, углекислый газ СО 2 из воздуха, влагу и питательные вещества из почвы.

Если количество солнечной энергии, поглощаемой растением, зависит в первую очередь от уровня солнечной радиации, то количество поглощаемого углекислого газа, влаги и питательных веществ из почвы зависит не только от внешних метеофакторов, но и от работы технологического оборудования. Поглощаемая корневой системой влага с растворенными в ней минеральными солями используется не только для роста растения, но и регулирует его тепловой и водный режимы. Благодаря такой саморегулирующей системе растения выдерживают колебания температуры окружающего воздуха в пределах от 5 до 40 °C, а колебания влажности от 40 до 100 $ /24.26/.

Однако колебания температуры и влажности воздуха в столь широком диапазоне вредно отражаются на росте и урожайности растений. Это объясняется тем, что низкая влажность и высокая температура воздуха приводят к уменьшению общего числа плодов, увеличению количества деформированных плодов, т. е. в общем случае уменьшается урожайность тепличных культур.

Растение и окружающая среда постоянно взаимодействуют между собой.- Любое изменение окружающих условий немедленно вызывает изменение жизнедеятельности растений. Колебания температуры и влажности окружающего воздуха приводит к изменению температуры и транспирации растения, что сказывается на интенсивности фотосинтеза за счет изменения состояния устьиц. Своими откликами на внешние условия растение стремится постоянно поддерживать процесс фотосинтеза на максимально возможном для данных условий уровне.

При высоком уровне солнечной радиации в теплые периоды года происходит повышение температуры листьев растений, но если при этом относительная влажность воздуха высокая, то удаления влаги из растений протекает спокойно. При переменной погоде невозможно обеспечить равномерное удаление влаги и поэтому возникают автоколебания в водном балансе растений, отрицательно сказывающиеся на их состоянии. Поэтому обеспечение постоянства водного режима является одной из важных предпосылок получения высоких урожаев.

Параметры микроклимата регламентируются нормами технологического проектирования /9/, в которых приведены пределы изменения температуры и влажности воздуха в теплице для разных стадий развития растений. В таблице I.I. представлены выборочные данные для I световой зоны, из которых видно, что относительная влажность воздуха в теплице должна поддерживаться в пределах 60.95 $. Температура воздуха при этом равна 20.28°С, т. е. в теплице колебания влажности и температуры воздуха лежат в широких пределах. Поэтому растение как бы берет на себя часть функций технологического оборудования по поддержанию параметров микроклимата и стремится компенсировать воздействие внешних факторов таким образом, чтобы процесс жизнедеятельности протекал в оптимальном для данных условий режиме. В растении существуют две системы: система поддержания температуры самого растения в оптимальных пределах при изменяющихся факторах внешней среды и система по поддержанию водного режима, исключающая перегрев и иссушение растения. Температурный и водный режим последнего обеспечивается за счет потребления воды из почвы и испарения ее через наземные органы. Причем процесс поддержания оптимального водного режима растения является доминирующим над тепловым, т.к. оно легче переносит тепловой шок, чем водный /26, 28/. Поэтому при выращивании овощей водный режим является одним из основных. Благодаря перемещению воды в растении питательные вещества поступают к различным его органам, при этом количество поглощенной растением воды значительно больше, чем требуется для перемещения питательных веществ и его роста. Другими словами, вес взрослого растения составляет только 10 $ от веса потребляемой им воды. Остальная часть влаги удаляется за счет транспирации /10, 30,26/.

Количество воды, транспирирующей с поверхности листьев и.

Оптимальный режим микроклимата в теплице.

Таблица I.I.

Показатели микроклимата.

Время суток, состояние погоды.

Рассада для теплиц.

Период после посадки при прорастании семян первые 3. •. 5 дней после всходов последующий период выращивания до плодоношения в период плодоношения.

Температура воздуха, °С.

Температура почвы,°С Влажность воздуха, % Влажность почвы от ППВ, %.

Для культуры огурца Днем в солнечную 30 18 сл погоду.

Днем в пасмурную погоду.

Ночью.

Днем и ночью Днем и ночью Днем и ночью Днем в солнечную погоду.

22. 24.

20,.22.

18 20.22 80.85 70.

24. 26 27.30.

22. 24 24.35.

18,19 22.24.

80. .85.

70. 80.

20,21 24.26 85.95.

Продолжение таблицы I.I.

I 2 3 4 5 6 7.

Днем в пасмурную — - - 60.70 70 погоду Для культуры томата.

Температура воздуДнем в солнечную — - Б, 20 22.24 24.26 ха, °С погоду.

Днем в пасмурную 25 12 18 18.20 20.22 погоду.

Ночью — - 15,16 15,16 17,18.

Температура почвы,°С Днем и ночью — - 18.20 20.22 22. 24.

Влажность воздуха, % Днем и ночью — - 60.70 60.65 60.65.

Влажность почвы от Днем и ночью — — 70 75.80 75.80 cr>

ППВ, % поступающей б теплицу зашеит от ряда параметров и в общем виде определяется выражением /27,30,31/. п = Г. Ул «У* отр тл +15 г-ч. (1Л).

Под fii понимается площадь поверхности нижней и верхней сторон листа при отсутствии на них капель влаги, образующихся при работе различного технологического оборудования.

Таким образом, окружающая растение среда и работа технологического оборудования постоянно действуют на растение и приводят к изменению его транспирации и температуры. Количество транспири-рующей с поверхности листьев растений под воздействием внешних факторов воды меняется в широких пределах от 2 до 30 г/м^*ч с р

1000 см листовой поверхности. Такая культура, как огурец, имеет.

3 2 в среднем до 50 листьев с суммарной поверхностью до 2,5″ 10 см.

3 2 2 на одно растение или до 5.6*10 см на I м площади теплицы.

Следовательно, в течение часа растение может выделить в окружающую среду от 0,09 до 1,35 кг/и воды. Согласно /26/ количество воды, необходимое для компенсации тепло по отуплений в теплицу о от солнечной радиации составляет в среднем за час до 2,0 кг/м, т. е. поступление влаги от транспирации может составить до 60% от количества воды, которое поступает в теплицу при работе СИОД воздуха. Следовательно, при выборе режимов работы технологического оборудования необходимо учитывать транспирацию растений. Это позволит поддерживать не только заданные параметры микроклимата в теплице, но и экономно расходовать энергетические и водные ресурсы, а также за счет снижения нагрузки на соответствующее технологическое оборудование увеличить срок службы последнего. Изменение внешних условий приводит к неизбежным колебаниям в водном режиме растений из-за изменения его шутренних сопротивлений и транспирации.

Изменение количества испаряющейся воды из растений вызывает изменение температуры и влажности воздуха в теплице. Это изменение параметров окружающей среды обуславливает новое состояние растений /29/, т^е. между растением и окружающей средой происходит постоянный тепловлажностный обмен без учета которого режимы работы СИОД воздуха не обеспечат поддержание процесса жизнедеятельности растений на оптимальном уроше.

Вторым фактором, определяющим влияние жизнедеятельности растений на работу СИОД воздуха, является зависимость скорости испарения капель влаги с листа растения от температурно-влажностиого режима самого растения. Данный вывод следует из рассмотрения процессов теплои влагообмена в теплице. Уравнение теплового баланса для теплицы имеет вид /32,33/:

Входящий в выражение член Утр учитывает вклад, который вносит транспирация растений в формирование температурного режима в теплице. В свою очередь, окружающие условия оказывают влияние на жизнедеятельность растений, что можно оценить на основании рассмотрения уравнений баланса тепла листа. В общем виде уравнение теплового баланса листа имеет вид:

Роль отдельных составляющих в выражении (1.3) не однозначна и зависит от целого ряда причин. Так при малой транспирации с поверхности листа из-за повышенной влажности воздуха или высокой его температуры основной отбор тепла от листа растений происходит за счет конвективной составляющей теплового потока и потока тепла на излучение. Если же температура листа меньше температуры окружающей среды, то основная отдача тепла от листа в окружающую среду происходит за счет потерь на транспирацию. Конвективная составляющая.

1.2).

1.3) может менять знак в зависимости от соотношения между температурой' листа и температурой воздуха. При Тл^Тв конвективный поток направлен от листа в окружающую среду и в уравнении (1.3) должен иметь знак минус. При Тл Сойдет приток тепла к листьям от окружающего воздуха и знак конвективного потока меняется на противоположный. Поэтому процесс испарения капель воды с поверхности растений будет определяться состоянием окружающей среды и самого растшия, а именно, температурой листа и транспирацией. Кроме того, взаимосвязь между деятельностью растения и работой технологического оборудования зашсит от формы и количества капель жидкости, образующихся при распылении воды в теплице. Б зависимости от смачиваемости поверхности листа растения, от размера капель меняется и их форма. Так капли на поверхности листа растения могут иметь форму шарового сегмента, высота которого зависит от диаметра капель и смачиваемости поверхности листа и растения. В силу этого, будет меняться и скорость испарения J. Действительно, для капель сферической формы она равна /ЗЦ/:

7= НТ2Ъ (Ск~Св). аю.

Для капель, расположенных на плоской твердой поверхности и имеющих форму шарового сегмента скорость испарения будет пропорциональна испарению с поверхности сферической капли, имеющей диаметр, равный диаметру шарового сегмента. Посколько изменение скорости испарения влияет на температуру и влажность листа растения, что приводит к изменению его теплового баланса (1.3), то изменяется количество влаги, выделяемой растением в окружающую среду, что требует изменения режима работы технологического оборудования.

Кроме того необходимо учитывать, что процессы изменения температуры и влажности воздуха протекают таким образом, что оптимальному значению температуры с точки зрения получения максимального урожая не соответствует оптимальное значение влажности воздуха /35/.

Таким образом, урожайность овощных культур является функцией температуры и влажности воздуха. Однако в теплице отсутствуют оптимальные сочетания перечисленных факторов, поэтому создание наиболее благоприятных для повышения урожайности овощных культур температуряо-влажностных условий требует применения специального технологического оборудования испарительного охлаждения и доув-лажнения воздуха, режим работы которого будет определяться в свою очередь параметрами микроклимата и жизнедеятельностью растений.

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Наиболее перспективными с точки зрения снижения энергозатрат являются СИОД воздуха с форсунками низкого давления.

2. Для обоснования режима работы подобных систем необходимо получить статистические характеристики процессов изменения температуры и влажности воздуха.

3. Основными факторами, влияющими на режим работы СИОД воздуха являются температура и влажность воздуха в теплице, уровень солнечной радиации и жизнедеятельность растений.

Требуемое количество распыляемой воды определяется по уровню колебаний низкочастотных составляющих, а периодичность включения форсунок — высокочастотными составляющими температуры и влажности воздуха и скоростью испарения влаги с поверхности листа растения.

5. Для работы в СИОД воздуха должны применяться форсунки, обеспечивающие получение капель со среднеарифметическим диаметром 2.

150 мкм и производительностью не более 5 мл/Сс'м).

6. Выбор режимов работы СИОД воздуха можно осущестшть графическим путем по номограмме для расчета времени испарения капель.

7. Для повышения эффективности работы СИОД необходимо использовать средства контроля за диаметром и количеством капель на поверхности листа растения.

8. Разработанные средства контроля за работой СИОД воздуха основаны на взаимодействии ПАВ с каплями влаги на поверхности ЧЭ и имеют следующие параметры: диапазон измерения влаги 0,1.10 мг/см^, зону чувствительности + 0,001 мг/см^, инерционность +0,05 с, надежность +0,92.

9. С помощью предложенных методов и средств контроля режимы работы СИОД воздуха обеспечивают поддержание влажности воздуха в диапазоне 70−95 $ с точностью — 5 $ относительно заданного уровня. Температура воздуха при этом не выходит за пределы, заданные в агротребованиях.

10. По данным опытно-производственной проверки экспериментальная СИОД воздуха, работающая совместно с предложенными сред2 ствами контроля, обеспечила повышение урожайности на 1,6 кг/м .

11. Разработанные структурные схемы позволяют в дальнейшем использовать их для измерения целого ряда параметров в теплице. Выходные сигналы устройств позволяют использовать их совместно с эш;