CC BY
2АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 631.236: 662.995:634.63/.64
УСТРОЙСТВО ВОЗДУШНОГО
ОБОГРЕВА ПАРНИКА ДЛЯ СУБТРОПИЧЕСКИХ РАСТЕНИЙ
Завалий А. А., доктор технических наук, доцент;
Рутенко В. С., кандидат технических наук, доцент;
Лаго Л. А., кандидат технических наук, доцент, Институт «Агротехно-логическая академия» ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В. И. Вернадского».
Для предотвращения замерзания саженцев субтропических растений (оливы и инжира) в парнике разработано, изготовлено и эксплуатируется устройство воздушного обогрева, обеспечивающее поддержание температуры в атмосфере парника не менее 0 °С при равномерной подаче потока подогретого воздуха по периметру защитного ограждения парника. Генераторами теплоты устройства служат тепловые дизельные пушки прямого нагрева. Устройство включает в себя генератор теплоты, эжекторное устройство кондиционирования температуры смеси воздуха и продуктов сгорания теплогенератора, распределительные воздуховоды, подпорные вентиляторы, систему автоматического управления температурным режимом атмосферы парника.
Ключевые слова: парник, тепло-
GREENHOUSE AIR HEATING DEVICE FOR SUBTROPICAL PLANTS
Zavaliy A. A., Doctor of Technical Sciences, Associate Professor; Rutenko V. S., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor; Lago L. A., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Institute "Agrotechnological Academy" of the Crimean Federal University named after V. I. Vernadsky.
To prevent freezing of seedlings of subtropical plants (olives and figs) in greenhouses, an air heating device has been developed, manufactured and operated, ensuring that the temperature in the greenhouse atmosphere is maintained at least 0 ° C with a uniform flow of heated air along the perimeter of the greenhouse protective fence. The heat generators of the device are thermal diesel guns of direct heating. The device includes a heat generator, an ejector device for temperature conditioning of a mixture of air and combustion products of a heat generator, distribution ducts, retaining fans, an automatic control system for the temperature regime of the greenhouse atmosphere.
Keywords: greenhouse, heat
112
генерирующее устройство, субтро- generating device, subtropical plants. пические растения.
Введение. Производство сельскохозяйственной продукции в условиях за-щищённого грунта является одним из основных способов повышения управляемости агротехнологий, существенного продления периода производства продукции, повышения продуктивности и качества сельскохозяйственной продукции, расширения её ассортимента [1].
В Крыму задачами защищённого грунта являются обеспечение температурного режима на плантациях сельскохозяйственных культур, влагоудержа-ние, защита от избыточной инсоляции, суховеев, сильных ветров, пылевых наносов, вредителей, интенсивных осадков, в первую очередь, града.
Основным типом устройств защищённого грунта в неспециализированных и малых сельскохозяйственных предприятиях южных регионов России являются парники, то есть устройства, не оснащённые стационарным оборудованием для отопления, так как система отопления и её эксплуатация являются одними из наиболее дорогостоящих составляющих капитальных и эксплуатационных затрат устройств защищённого грунта.
Крымский климат позволяет культивировать в парниках как однолетние культуры, например овощи, так и многолетние растения, такие как виноград, малина. Губительным для многолетних растений может стать внезапный сильный мороз, усугубляемый ветром. Спасти в этом случае растения от гибели или потери завязывающихся плодов позволяют мобильные системы обогрева, источником тепловой энергии в которых чаще всего служат тепловые пушки, работающие на углеводородном топливе. Наиболее эффективными, простыми и доступными к применению являются тепловые пушки прямого нагрева на дизельном топливе.
Недостатком таких систем, как правило, является высокая неравномерность распределения тепловой энергии по объёму парника, приводящая к перегреву растений в одних частях объёма и замерзанию растений в других частях объёма парника. Температурная неравномерность, создаваемая в парнике, существенно затрудняет возможность автоматизации работы системы обогрева и, соответственно, снижает эффективность её работы и ухудшает удобство эксплуатации системы. Неравномерность тем более выражена, чем больший объём парника.
Сложившиеся за последние годы климатические условия в Крыму позволяют интенсифицировать культивирование субтропических растений, таких как олива и инжир. Использование на ранних этапах выращивания субтропических растений устройств защищённого грунта способствует их распространению и позволяет приблизить сроки их плодоношения.
Целью работы является разработка устройства воздушного обогрева парника для многолетних субтропических культур и режимов его работы.
Материалы и методы исследования. Прототипом устройства является устройство для обогрева теплиц [2]. Схема устройства воздушного обогрева
113
парника для многолетних субтропических культур представлена на рис. 1.
Рисунок 1. Схема устройства воздушного обогрева
Устройство использует два локальных источника теплоты - дизельные тепловые пушки MASTER B 180 [3] (поз. 2 на рис. 1) прямого нагрева тепловой мощностью 48 кВт и потоком воздуха 1550 м3/час каждая, установленные у боковых стен внутри парника 1. От использования тепловой пушки косвенного нагрева отказались, так как работа устройства предусмотрена во время, когда персонал в помещении отсутствует, а некоторый избыток углекислоты в атмосфере полезен растениям. Вентилятор тепловой пушки нагнетает в нее воздух (стрелка 11 на рис. 1). Горячие продукты сгорания выходят из пушки в эжектор 3 диаметром 500 мм длиной 3000 мм, в который подсасывается воздух из объёма парника (стрелки 12). Для регулировки коэффициента эжекции тепловая пушка и эжектор могут изменять свое взаимное положение, перекрывая или открывая входное сечение трубы эжектора. Смесь продуктов сгорания и воздуха поступает от каждой тепловой пушки по двум рукавам 4 в воздуховоды 5 диаметром 315 мм длиной 60 м, расположенные по периметру парника на высоте 0,5 м. Для эффективной подачи нагретой газовой смеси по воздуховодам используются подпорные вентиляторы VCZpl-315 [4] (поз. 6 на рис. 1). В воздуховодах выполнена перфорация 13, равномерно распределяющая потоки нагретой газовой смеси в объёме парника. Устройство оснащено автоматическим управлением, согласующим работу всех элементов устройства и управляемое контроллером температуры 7 по показаниям датчиков температуры 10, размещённых в атмосфере парника. На рис. 1 указаны линии электропитания тепловой пушки 8 и вентиляторов 9.
Устройство воздушного обогрева размещено в парнике размерами 150х60х6 м, предназначенном для культивирования многолетних субтропических культур, в первую очередь оливковых деревьев и инжира. Парник расположен в с. Маленькое Симферопольского района на территории агропромышленного колледжа Крымского федерального университета им. В.И.Вернадского. Парник размещён на открытой местности с практически плоским ландшафтом, ориентирован длинной стороной с юга на север. Парник имеет каркасную
114
конструкцию, ограждением служит двухслойная полимерная плёнка толщиной 0,5 мм с наддувом, создающим воздушную подушку толщиной до 150 мм.
Результаты исследования. Для выбора тепловой мощности источников теплоты выполнен расчётный анализ теплового состояния парника для января месяца на широте г.Симферополя. В этом месяце возможны дневные морозы, достигающие -10 —14 °С и ночные морозы, достигающие -18 —22 °С кратковременно (в течение 2 - 4 часов). Скорость ветра может достигать 8 - 10 м/с. В зимние месяцы значения величины инсоляции для г. Симферополя в кВт^ч/ м2/день составляют в декабре 1,07, в январе 1,27, в феврале 2,06 [5]. Продолжительность светового дня в январе составляет в среднем 9 часов [6].
В результате расчётного анализа инсоляционного и конвективного тепловых потоков в ограждение парника получено, что величина удельного теплового потока инсоляции пренебрежимо мала по сравнению с удельным тепловым потоком конвективного теплообмена воздуха в парнике с наружным воздухом. Так, при разности температур наружного воздуха и воздуха внутри парника в 1 °С удельный конвективный тепловой поток равен 0,25 Вт/м2, тогда как удельный тепловой поток инсоляции составляет всего 0,039 Вт/м2. Таким образом, тепловое состояние воздуха в парнике целиком определяется конвективным теплообменом с воздухом, окружающим парник. При температуре окружающего воздуха -15 °С для поддержания температуры в парнике близкой 0 °С достаточно иметь источник теплоты мощностью 100 кВт. Для поддержания такого температурного баланса источник нагрева воздуха должен работать непрерывно.
Расчётная оценка изменения температуры воздуха в объёме парника в приближении постоянства температуры воздуха в объёме парника показала, что постоянная температурной инерции воздуха в парнике составляет 390 секунд, то есть при скачкообразном падении температуры атмосферного воздуха температура воздуха в парнике опустится до значения температуры атмосферного воздуха примерно за 30 - 35 минут. То есть при температурах, превышающих -15 °С, источник нагрева воздуха должен включаться каждые 30 минут после его выключения и работать, пока температура воздуха не вернётся к исходному заданному значению.
Равномерное распределение потоков теплоты по периметру парника обеспечивается равенством массовых расходов нагретого воздуха через равноотстоящие на расстоянии 600 мм друг от друга отверстия перфорации 13 воздуховодов 5 (см. рис. 1). Перфорация выполнена в виде круглых отверстий, диаметр которых увеличивается по мере удаления от нагнетающего вентилятора. Воздуховод 5 выполнен из секций полимерной гофротрубы диаметром 315 мм, торец воздуховода заглушен.
На рис. 2 приведено изменение диаметра отверстий по длине воздуховода для режима работы вентилятора, обеспечивающего избыточное давление воздуха на выходе Р = 150 Па и расход воздуха Q = 1600 м3/час.
115
О 20 40 60 80 п
Рисунок 2. Изменение диаметра отверстий по длине воздуховода
Количество отверстий - 100, расчетная длина воздуховода - 60 м, расход воздуха через каждое отверстие - 4,5^10-3 м3/с. По мере удаления от вентилятора скорость истечения воздуха через отверстия уменьшается от 15 м/с до 3 м/с. Суммарная площадь отверстий - 0,13 м2, что в 1,674 раза больше площади поперечного сечения воздуховода. На рис. 2 серыми треугольными маркерами обозначены зоны по длине воздуховода, для которых приняты равными значения диаметров отверстий в стенке воздуховода.
Компоновочная схема устройства воздушного обогрева парника приведена на рис. 3.
Рисунок 3 Общий вид парника с устройством воздушного обогрева
116
Порядок работы устройства. При понижении температуры в парнике до заданного контроллером значения блок управления включает тепловую пушку (теплогенератор) и подпорные вентиляторы. Температура продуктов сгорания на выходе из теплогенератора составляет 80 - 100 °С. Температура смеси воздуха и продуктов сгорания на выходе из эжектора снижается до 25 - 30 °С. Нагретый воздух проходит отводные воздуховоды и поступает в подпорные канальные вентиляторы, которые проталкивают воздух по распределительным воздуховодам, откуда воздух поступает в объём парника через перфорацию. При достижении заданного значения температуры воздуха в объёме парника блок управления отключает теплогенератор и вентиляторы. После выключения всех вентиляторов устройство приходит в исходное положение и готово к следующему запуску.
В течение работы устройства обогрева нагретый воздух поднимается вдоль стенок ограждения парника и остывает (см. рис. 4). Часть тепловой энергии нагретый воздух отдаёт воздуху внутри объёма парника, а часть теплоты отдаётся стенкам ограждения парника и затем рассеивается в окружающую среду. В результате нагретый воздух создаёт тёплый купол над растениями в объёме парника.
Рисунок 4. Линии токов воздуха в объёме парника
Общий вид устройства воздушного обогрева, размещённого в парнике размерами 150х60х6 метров представлен на рис. 5.
117
Рисунок 5. Размещение устройства воздушного обогрева в парнике
Блок управления устройством автоматического нагрева воздуха включает в себя контроллер температуры ТРМ-1 с термопарой, чувствительный элемент которой размещается в пригрунтовой зоне объёма парника и панель управления (см. рис. 6).
1 - автоматы защиты электропитания; 2 - кнопка включения питания щита с сигнальной лампой; 3 - сигнальная лампа включения питания тепловой пушки; 4 - разъем питания пушки; 5, 6 - разъемы питания вентиляторов; 7 - разъем питания контроллера ТРМ-1; 8 - источник постоянного тока для питания реле; 9 - тиристор-ные регуляторы частоты вращения вентиляторов; 10 - разъем управляющего сигнала контроллера ТРМ-1; 11 - реле включения/выключения питания тепловой пушки и вентиляторов; 12 - разъем управляющего сигнала включения/выключения тепловой пушки; 13 - реле задержки времени выключения вентиляторов
Рисунок 6 - Панель управления работой устройства обогрева парника
118
Команда на включение и выключение теплогенератора и подпорных вентиляторов поступает от реле контроллера на реле управления. По команде реле управления размыкает электрическую цепь термостата тепловой пушки, прекращается подача топлива, соответственно, прекращается горение в камере сгорания, вентилятор теплогенератора и подпорные вентиляторы продолжают работать ещё 1 минуту. Кнопка включения питания тепловой пушки размещена на панели управления самой тепловой пушки. Штекерный разъём подключения термостата тепловой пушки к панели управления размещен на корпусе тепловой пушки.
Устройство воздушного обогрева смонтировано в парнике к середине января и интенсивно использовалось в январе - феврале 2021 года. В ходе эксплуатации устройства определены режимные параметры регулирования процесса автоматического включения и выключения теплогенератора для поддержания в парнике температуры не ниже 0 °С.
Контроллер устройства программировался на заданное минимальное значение температуры, которая должна поддерживаться устройством обогрева, и гистерезис отклонения этой температуры. То есть устройство обогрева включалось в момент, когда температура воздуха в объёме парника была близка к предельно допустимому значению. Контроллер программировался также на значение температуры, превышающее минимально допустимое значение температуры на 5 - 8 °С. То есть запуск устройства осуществляли заранее, не ожидая снижения температуры до предельно допустимого минимума.
Для контроля температуры в парнике и за его пределами использовали контрольно-измерительные приборы устройства (контроллер и термопара), датчик температуры воздуха, установленный в центральной части парника на высоте 1500 мм от поверхности грунта для визуального контроля температуры, данные двух метеостанций, одна из которых установлена в центральной части парника на высоте 1300 мм, а вторая расположена на территории колледжа в поле. Метеостанции передают информацию в компьютер с частотой 1 измерение за 20 минут. Применение метеостанций позволило установить взаимосвязь температуры в объёме парника и в окружающей парник атмосфере.
Для установления режимов работы устройства привлекались данные метеоцентра г. Симферополя о температуре, ветре и облачности в течение использования устройства для обогрева объёма парника в зимнее время.
Самая высокая дневная температура в Симферополе в январе 2021 составила 14°С. В то время как минимальная температура ночью опускалась до -11°С. Средние показатели дневной и ночной температур в течение января составляли 7°С и 4°С соответственно.
В самые ветреные дни в январе 2021 порывы ветра достигали 8 м/с, при этом в наиболее спокойные дни скорость ветра не превышала 0,2 м/с. Средний показатель силы ветра в Симферополе в январе 2021 составил 3 м/с.
По данным метеостанции температура ночью 10, 11 и 12 января опускалась
119
до -10 °С, а 18, 19 и 20 января минимум температуры достигал -16 °С, 19 января кратковременно в течение 2-х часов минимум температуры составил -18°С.
В январе контроллер устройства программировался на заданное минимальное значение температуры. Среднее значение температуры, установленное на контроллере, составляло 0,5 °С при отклонении ±0,3 °С, то есть при 0,2 °С контроллер включал теплогенератор, а при 0,8 °С контроллер выключал теплогенератор.
Данные термограмм воздуха в парнике показали, что устройство обогрева парника общей тепловой мощностью 96 кВт позволяет устойчиво поддерживать требуемый минимальный уровень температуры при температуре атмосферного воздуха до -16 °С. При дальнейшем снижении температуры тепловой мощности устройства обогрева недостаточно, температура в объёме парника начинает снижаться в отрицательную область, что недопустимо для многолетних субтропических растений, возраст которых меньше 4-5 лет. Избежать замерзания растений позволила краткосрочность понижения температуры атмосферного воздуха до отметки -18 °С.
В феврале для предотвращения негативного действия отрицательных температур в период снижения температуры атмосферного воздуха ниже -16 °С использовали раннее включение устройства обогрева при температуре в объёме парника, составляющей 4 -5 °С.
Самая высокая дневная температура в Симферополе в феврале 2021 года составила 15°С. В то время как минимальная температура ночью опускалась до -11°C. Средние показатели дневной и ночной температур в течение февраля составляли 6°С и 4°С соответственно. Средний показатель силы ветра в Симферополе в феврале 2021 составил 2 м/с. По данным метеостанции температура ночью 20 февраля опускалась до - 16 °С.
Анализ термограмм воздуха в парнике показал, что раннее включение теплогенератора позволяет продлить период снижения температуры в объёме парника на 3 - 4 часа по сравнению с вариантом включения теплогенератора при минимально допустимом уровне температуры в парнике.
Вывод. Включение устройства при минимально допустимом уровне температуры в парнике для парника объёмом 150х60х6 метров и суммарной тепловой мощностью 2-х теплогенераторов 96 кВт позволяет поддерживать положительной температуру в парнике до температур в атмосфере минус 14 - минус 15 °С длительно. При усилении морозов целесообразно раннее включение устройства обогрева при температуре в парнике 4 - 5 °С. Такой способ обогрева эффективен при непродолжительном снижении температуры, не превышающем 4 - 5 часов. При длительных морозах с температурами ниже -16 °С следует увеличить тепловую мощность устройства обогрева.
Список использованных источников: References:
1. Тепличный бизнес России 2021 1. Greenhouse business in Russia
[Электронный ресурс]. - URL: https:// 2021 [Electronic resource]. - URL:
120
agrobook.ru/sites/default/files/21-05/ Ь^/-2021_ДЕМ0_версия. (дата обращения: 07.05.2021).
2. Устройство для обогрева теплиц [Текст]: пат 186934 Росс. Федерация : МПК A01G 9/24 (2006.01) / Завалий А.А., Рутенко В.С., Емелья-ненко Л.В., заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского». -Заявл. 28.12.2017 опубл; опубл. 11.02.2019, Бюл. № 5. - 8с.
3. Дизельная тепловая пушка прямого нагрева на 48 кВт MASTER B 180. [Электронный ресурс]. - URL: https:// bt-active.ru/klimaticheskaya-tehnika/ otopitelnoe-oborudovanie/teplovye-pushki/teplovaya-pushka-master-b-180/ (дата обращения: 13.10.2023).
4. Вентиляторы канальные круглые в пластиковом корпусе VCZpl-K [Электронный ресурс]. - URL:https:// simferopol.rowen.ru/catalog/kanalnye_ ventilyatory/ventilyatory_kanalnye_ kruglye_v_plastikovom_korpuse_ vczpl_k/ (дата обращения: 27.09.2023).
5. Provides solar and meteorological data sets from NASA research for support of renewable energy, building energy efficiency and agricultural needs. [Электронный ресурс]. - URL: https:// power.larc.nasa.gov/data-access-viewer/ (дата обращения: 12.08.2023).
6. Солнечный календарь Симферополя [Электронный ресурс]. -URL: https://ru.365.wiki/world/russia/ simferopol/sun/calendar/(дата обращения: 24.10.2023).
https://agrobook.ru/sites/default/ files/21 -05/blog/-2021_DEMO_version. (date of access: 05/07/2021).
2. Device for heating greenhouses [Text]: Patent 186934 Ross. Federation: IPC A01G 9/24 (2006.01) / Zavaliy A. A., Rutenko V.S., Emelyanenko L.V., applicant and patent holder of the Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education "KFU named after. IN AND. Vernadsky". -Application 12/28/2017 publ; publ. 02/11/2019, Bulletin. No. 5. - 8 p.m. : ill.
3. Directly heated diesel heat gun 48 kW MASTER B 180. [Electronic resource]. - URL: https://bt-active.ru/ klimaticheskaya-tehnika/otopitelnoe-oborudovanie/teplovye-pushki/ teplovaya-pushka-master-b-180/ (access date: 10/13/2023).
4. Round duct fans in a plastic case VCZpl-K [Electronic resource]. - URL: https://simferopol.rowen.ru/catalog/ kanalnye_ventilyatory/ventilyatory_ kanalnye_kruglye_v_plastikovom_ korpuse_vczpl_k/ (date of access: 09/27/2023).
5. Provides solar and meteorological data sets from NASA research to support renewable energy, building energy efficiency and agricultural needs. [Electronic resource]. - URL: https:// power.larc.nasa.gov/data-access-viewer/ (access date: 08/12/2023).
6. Solar calendar of Simferopol [Electronic resource]. - URL: https:// ru.365.wiki/world/russia/simferopol/ sun/calendar/(access date: 10/24/2023)
Сведения об авторах: Information about the authors:
Завалий Алексей Алексеевич - Zavaliy Alexey Alekseevich -
121
доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой общетехнических дисциплин института «Агро-технологическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: [email protected], Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное Институт «Агротехнологическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».
Рутенко Владимир Степанович -кандидат технических наук, доцент кафедры технических систем в агробизнесе института «Агротехнологическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: rutvs@mail. ru, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Институт «Агротехноло-гическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».
Лаго Людмила Анатольевна - кандидат технических наук, доцент кафедры общетехнических дисциплин института «Агротехнологическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: Luda_Lago@ mail.ru, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное Институт «Агро-технологическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».
Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of General Technical Disciplines of the Institute "Agrotechnological Academy" of the Federal State Educational Institution "V. I. Vernadsky KFU", e-mail: [email protected] , Republic of Crimea, Simferopol, village Agrarian Institute "Agrotechnological Academy" FGAOU VO "KFU named after V. I. Vernadsky".
Rutenko Vladimir Stepanovich
- Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Technical Systems in Agribusiness of the Institute "Agrotechnological Academy" of the Federal State Educational Institution "V. I. Vernadsky KFU", e-mail: [email protected] , Republic of Crimea, Simferopol, Agrarian village, Institute "Agrotechnological Academy" of the Federal State Educational Institution of Higher Education "V. I. Vernadsky KFU".
Lago Lyudmila Anatolyevna
- Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of General Technical Disciplines of the Institute "Agrotechnological Academy" of the Federal State Educational Institution "V. I. Vernadsky KFU", e-mail: [email protected] , Republic of Crimea, Simferopol, village Agrarian Institute "Agrotechnological Academy" FGAOU VO "KFU named after V. I. Vernadsky".
122
