温室冷雾降温系统的研究

赵德菱

(南京工业职业技术学院 机械工程学院，江苏 南京 210023)

引言

冷雾降温技术除了具有环境友好，雾化效果好，降温效率明显等特点外，亦是一种有效补充温室栽培作物因蒸腾所造成的植株水分缺失，减少水分胁迫的节水灌溉方式。另外，和其它传统降温系统如水帘和风扇相比，高压喷雾方式由于是自顶而下的喷洒，不存在水平方向上的梯度场，因此作物生长环境不受栽培位置的影响，作物生长状况均匀，便于统一管理［1］。如在设施园艺技术比较发达的日本，冷雾降温系统推广面积约是湿帘风机降温系统的5 倍［2］。

目前国内外对冷雾降温系统的研究主要针对系统在温室中的降温效果及效率研究［3-13］，但技术评价系统喷雾雾化过程的研究不多。本文为对温室冷雾降温系统进行试验研究和理论分析，选择并分析适合描述温室降温的雾滴直径SMD、D90作为非常重要的两个试验参数，对设计的喷头外部雾化特性参数如雾滴粒径等，进行了马尔文粒谱分析仪(Malvern Particle Analyzer)的测量，在此基础上，设计一套温室冷雾降温雾系统，然后将系统安装18m*42m的大棚温室，对其降温效果进行考核。

1 温室冷雾降温系统的工作原理及组成

1.1 冷雾降温系统工作机理

冷雾降温也称为微雾降温法，它的基本原理是:普通的水，经过系统自身配备过滤系统后，进入高压泵，经过高压泵的水加压到6MPa以上，通过管路，流过面积非常小的喷嘴(直径小于0.2mm)，形成直径为微米级的细雾滴，雾滴弥漫整个温室，并尽可能与空气混合，利用水的蒸发潜热的特点，大量吸收空气中的热量，然后将潮湿空气捧出室外从而达到降温的目的。喷雾的雾滴直径很小，雾滴悬浮在空气中，并迅速蒸发，不打湿地面。据国外研究资料表明:冷雾降温与水帘降温相比，其效率远远高于水帘蒸发降温的效率［14］。冷雾降温可适合任何大小的场合，它的运作节水、节能又无污染，系统投资成本较低，运行费用也不高，是世界上比较有效的温室降温技术之一。这项技术对相对湿度较低的地区和自然通风好的温室尤为适用。

1.2 冷雾降温系统组成

一套完整的温室喷雾降温系统通常主要由两大部分组成:水源部分和喷雾部分。水源部分主要由水箱、过滤器、高压泵、管路、控制器组成;喷雾部分主要由冷雾喷头和管路组成。其中，喷头是喷雾系统的关键设备，其作用主要是将管道内的连续水流喷射到空中，形成众多细小雾滴，保证与空气充分接触。

2 喷头的研究

2.1 喷头的设计

冷雾降温系统在我国推广应用还不普及，其中的一个原因是目前我国国产的喷头质量和耐久性还不尽如人意，主要依赖于进口，所以其投资成本较高。

喷头是冷雾降温系统中的核心部件，喷头的好坏决定温室冷雾降温系统的降温效率等一切因素。同时喷头的成本占整个系统投资将近二分之一，而且喷头是易损件，其维修成本几乎是系统维修的总成本。

现有国内外常用的喷头各部分都由不锈钢组成，制造成本非常大，而且喷嘴在使用过程中容易磨损，使用后容易堵塞。磨损和堵塞减少喷头使用寿命，同时造成了资源的浪费。

针对目前国内外喷头的缺点，本文对喷头进行了再设计，首次提出了将三种不同材质的硬质不锈钢喷针、红宝石喷嘴、铜质喷头体有机地组合在一起，并采用内嵌式粘接工艺，使得三者连接可靠。在试验的基础上，对喷头进行了优化设计，确定了喷头的各个设计参数，并设计加工工艺，研制了具有自主知识产权的新型喷头并申请了专利，如图1。从而使得喷头制造成本大大降低，使用寿命大大提高。至于绿色设计的理念，在宝石喷嘴损坏或堵塞、喷针损坏的情况下，喷头体可循环使用，从而大大降低了系统投资成本和运行成本。

图1 宝石喷嘴喷头

2.2 喷头的试验

近年来，激光测雾技术的发展主要在以下几个方面，即利用粒子散射、衍射原理发展的激光散射衍射测雾技术，利用激光全息原理发展的全息照相测雾技术和利用激光干涉多普勒测速原理发展的相位多普勒测速、测雾技术。所有这些技术目前都随着测量元件和计算机技术的迅速发展而日趋完善，已经满足对雾化特性实验研究和工程测量的需要。

有两种目前常用激光散射技术来测量喷雾雾滴的大小，分别是空间技术测量法(the spatial technique)和流量技术测量法(the flux technique)。空间技术能迅速采样在一个给定体积内的大量的雾滴，这是一种数量密度称重测量技术(a number-densityweighted technique)。Malvern公司和 Imaging Systems公司是目前两家具有这种技术设备的著名生产商［15］。

流量技术能采样和计量在一定时间间隔内经过选样体积中的单个雾滴，是一种数量流量称重测量技术。PDPA和PMS是两个利用该种技术的系统。由于流量测量技术易忽略检测到100微米及以上的雾滴，同样可忽略1000个由10微米组成的雾滴群。所以这种技术在测量雾滴时，容易在测量雾滴分布时，影响测量的误差［16］。考虑到上述的原因，试验选择了马尔文粒谱分析仪，试验设备的连接图如图2所示。

图2 试验设备的连接图

2.3 试验参数的选择

对温室冷雾降温系统来说最重要的因素是被用来蒸发的水雾滴的表面积和最大喷雾雾滴直径。雾滴的表面积影响喷头的降温效率，大的雾滴容易影响温室中的生长作物和打湿地面。基于上述两点的考虑，SMD和D90雾滴直径是温室降温非常重要的两个参数。为了说明这两个参数的重要性。

SMD:以喷雾产生的表面面积来表示喷雾精细度。索特平均直径是一粒液滴的直径，该液滴的体积与表面积之比和所有液滴的总体积与总表面积之比相等。

D90:用被喷雾液体的体积来表示液滴大小。依照体积测量时，全部雾滴的体积从小到大顺序累积，以累积值等于总体积的90%时所对应的雾滴直径。

为了了解新设计喷头的质量，用马尔文粒谱分析仪(Malvern Particle Analyzer)测量了头前500mm雾滴D32和D90在不同压力下的分布，结果如图3所示。

图3 喷头前500mm处的雾滴与压力关系曲线

图3可知，随着喷雾压力的升高，雾化液滴的各种直径均降低。说明压力越高，雾化效果越好。当压力增大到一定的程度后，雾化液滴的粒径分布趋于平缓。试验结果表明，对这种喷头而言，当压力达到一定的限度后，单纯靠提高喷雾压力已不能达到减小雾化液滴直径的目的。

为进一步了解喷头的雾化分布，试验还测量喷头前500mm截面上的雾滴分布，试验在喷雾压力13MPa下进行的，喷雾射击入的是静止空气。测量位置分别取离喷雾轴中心对称的 0，10，20，30，40，50mm。测量不同位置点上雾滴直径关系的结果如图4所示。

图4 喷头雾型截面雾滴分布

从图4试验结果得出，Z轴中心处的雾滴小，雾滴随着直径方向的增大而增加，边缘处雾滴直径最大。雾滴在喷雾型的轴中心要比雾型的边缘处要小。这是由于雾滴离开喷头喷针处时速度很高，强制的气流冲击使得更小的雾滴到了喷雾一中央;在直径方向，雾滴随着直径方向的增大而增加，这是因为小的雾滴的随着气流移动到轴中央，而大的雾滴维持起始的轨迹而在雾型的边缘方向。另外气流速度也影响雾滴的大小。

3 温室冷雾降温系统设计与试验

为了检验该系统的实地降温效果，针对江苏苏南地区夏季温室高温的特点，设计了一套冷雾降温系统。该系统在室内大量试验的基础上，又将其安装在温室内进行了实地试验，结果证实了该系统降温效果明显。

3.1 温室的结构

试验温室位于江苏省苏南某农业示范基地，为华东型塑料三连栋温室，内装有内遮荫幕。温室面积为18m*42m，温室肩高2.5m，脊高3m，跨度6m，共3跨，长42m。温室的侧面有1m宽通风口，室内放有各种盆栽花卉，温室外覆盖透光材料为0.15mm厚单层聚乙烯无滴膜。试验温室如图5。

图5 试验温室

3.2 温室冷雾降温系统的设计

为满足温室夏季降温所需的喷雾蒸发量，所采用的喷雾设备应达到相应的喷雾强度，喷雾强度为喷雾系统或设备在单位时间及单位面积内所喷出的水的质量。有效降温或蒸发的理想雾滴直径大小介于0.5～50um之间;温室平面内理想的喷雾量是0.5 ～1.2l/m2·h［10］。不同的气象条件所需要的温室通风流量和喷雾强度不同。根据喷头的流量及安装成本等因素确定温室内的喷头数:126个，安装间距为1m。经过验算，设计温室的喷雾强度为0.8l/m2·h，介于理想喷雾量是0.5～1.2l/min/m2·h之间。

3.3 其它部分的设计

降温系统主要由供水部分和带喷头的管路组成。考虑方便、操作等因素，将水源部分中水箱、过滤器、高压泵、管路、控制器设计成一个整体放在支架上，其结构如图6所示。

图6 供水水源部分的结构

根据喷头的流量及喷头数，计算出温室中总的需水量来选择泵。根据所选择泵的外形大小和水箱的大小来设计支架，再加上温室高湿的特性，支架的材料选用不锈钢，以防锈。支架分三部分:最下部分安装泵，上部分安装电器控制箱，中部分安装水箱，水箱用来装经过微米级过滤过的水，以防喷头阻塞。水箱的大小一般为40l左右，水箱的底部也装有低水位开关，当水箱内的水位低过水位开关时，系统控制电路断电，以防止泵在无水时的空转。另外系统通过安装在温室内温度传感器或湿度传感器获得的温室温度或湿度与设定的值比较来控制泵的开关。

根据喷头数和温室的结构，确定分四条管路，喷头间隔均匀排列管路上，间距为1.2m。喷头喷雾方向为水平。喷头及管路的安装高度考虑雾滴蒸发不淋湿地面或作物及安装因素，通过计算及设计确定为2m，如图6所示。

3.4 温室冷雾降温系统的试验

为了检验该系统的实地降温效果，分别测量降温温室内、室外及非降温温室内的温度、湿度及风速。降温温室选用2个以上测点，非降温温室用1个以上测点，室外用1个测点，每个测点置在最高作物的上方，离地高度为1m。其它的一些因素为:非降温室及室外的试验时间内的湿度为45%左右，开机后降温温室内的湿度在70%以上。当天的风速3～4级，平均约6.5米/秒。测量的结果经数据处理后如下图7。

图7 两个温室内温度曲线的比较

从上图表知:保持温室好的通风条件下使用降温设备后，对照温室相比，最大降温温度为8℃，测试时间内的平均降温达6℃左右。在保持温室好的通风条件下使用降温设备后，对照室外相比，最大降温温度为7℃，测试时间内的平均降温达6℃左右。

4 结论

(1)本文针对目前国内外喷头在高压喷降温系统中存在的问题，研制出了新型喷头，使得喷头制造成本大大降低，使用寿命提高，从而大大降低了系统投资成本和运行成本。

(2)选择并分析适合描述温室降温的雾滴直径SMD、D90作为非常重要的两个试验参数。对设计的喷头外部雾化特性参数如雾滴粒径等，比较不同的测量方法，并选择马尔文粒谱分析仪进行测量。试验研究表明:随着喷雾压力的升高，雾化液滴的各种直径均降低，说明压力越高，雾滴直径越小，雾化效果越好。另外就同一不同的测位置对雾滴的大小和雾滴的分布影响进行。

(3)设计了一套冷雾降温系统，通过试验检验系统在温室大棚中的降温效果。试验结果表明:在自然通风和一定的气象条件下，在夏季高温季节里，在温室中使用冷雾降温系统，可有效地降低温室内的温度，有利于作物的正常生长。

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