- 基于熱電制冷技術(shù)的營(yíng)養(yǎng)液溫控系統(tǒng)的研究
- 采用有較強(qiáng)防腐性和較好導(dǎo)熱性的材料
- 根據(jù)不同的需要設(shè)計(jì)出不同規(guī)格的溫控系統(tǒng)
引言
植物根際溫度對(duì)其水分代謝、礦物質(zhì)吸收、植物激素代謝、生長(zhǎng)發(fā)育、光合作用等具有顯著影響，根系對(duì)高溫逆境的脅迫表現(xiàn)最為敏感，尤其是吸收根。Adams等研究認(rèn)為，在番茄營(yíng)養(yǎng)液膜無(wú)土栽培中，當(dāng)根際溫度保持在12~24℃范圍內(nèi)條件下，其植株干質(zhì)量、葉面積和果實(shí)產(chǎn)量隨營(yíng)養(yǎng)液溫度的升高而增加。
目前國(guó)內(nèi)主要采用地下水、加冰、電熱管加熱以及加大營(yíng)養(yǎng)液槽的體積等措施控制營(yíng)養(yǎng)液的溫度。
夏季，利用地下水降溫雖然能夠有效控制營(yíng)養(yǎng)液的溫度，但對(duì)地下水浪費(fèi)嚴(yán)重，且受地理環(huán)境因素的制約；采用加冰的方法即不易于實(shí)現(xiàn)對(duì)營(yíng)養(yǎng)液溫度的控制，也易對(duì)周邊環(huán)境造成污染。冬季，采用電熱管加熱雖然能夠滿足植物生長(zhǎng)的要求，但加熱一段時(shí)間后，加熱棒表面出現(xiàn)Cat+,Mgt+離子的結(jié)垢，勢(shì)必引起營(yíng)養(yǎng)液成分的變化川。研究一種節(jié)能、高效的營(yíng)養(yǎng)液溫度控制系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)意義。
熱電制冷技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療、航空航天、潛艇、船舶、家電等多個(gè)領(lǐng)域，但在農(nóng)業(yè)生物環(huán)境控制領(lǐng)域的應(yīng)用很少。筆者針對(duì)單株番茄樹(shù)特種栽培營(yíng)養(yǎng)液溫度控制中存在的問(wèn)題，研究開(kāi)發(fā)了一套熱電制冷溫控系統(tǒng)，以解決植物栽培中營(yíng)養(yǎng)液夏季降溫和冬季加溫的問(wèn)題。
1 熱電制冷器的工作原理
熱電制冷器的基本元件是P型和N型半導(dǎo)體元件連接而成的熱電偶對(duì)。如圖1所示，當(dāng)熱電偶對(duì)中通以電流后，電子和空穴分別從金屬片3流入N和P型半導(dǎo)體，產(chǎn)生電子一空穴對(duì)時(shí)吸收的熱量大于通過(guò)金屬片3時(shí)產(chǎn)生的熱量，使金屬片3與P和N型半導(dǎo)體結(jié)合處的溫度降低，電絕緣層1成為冷端，物體2被冷卻。當(dāng)電子和空穴從N和P型半導(dǎo)體流入金屬片5時(shí)，電子和空穴結(jié)合放出的熱量大于帶走的熱量，使金屬片5和P,N型半導(dǎo)體的結(jié)合處的溫度升高，電絕緣層6成為熱端，物體8被加熱。所以熱電偶對(duì)在冷端吸收周圍介質(zhì)的熱量，實(shí)現(xiàn)制冷；在熱端散發(fā)熱量，加熱與之接觸的物體。電流方向改變，冷、熱端互換。實(shí)際使用時(shí)通常把幾個(gè)或上百個(gè)熱電偶對(duì)連接在一起，并加工成片狀，稱為熱電制冷器或熱電制冷片。
2 試驗(yàn)材料及方法
2.1 溫室
試驗(yàn)溫室為中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院樓頂玻璃溫室。南北跨度7.3m，東西長(zhǎng)度23.2m;溫室覆蓋材料為雙層玻璃；頂部設(shè)置天窗自然通風(fēng)；溫室內(nèi)設(shè)置內(nèi)保溫幕，外置遮陽(yáng)幕；南面安裝風(fēng)機(jī)，北面安裝濕簾，用于夏季溫室降溫。
圖2為溫室橫向剖面圖。
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2.2 熱電溫控系統(tǒng)
熱電制冷設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)備采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)（圖3），蓋板2為保溫性能良好的聚苯塑料板，以減小外界環(huán)境與流體之間的熱交換。上下蓋板利用螺栓連接，既保證了熱電制冷片6和銅板4的充分接觸，又減小了熱電制冷片與銅板之間的接觸熱阻。320mmx295mmx6mm（長(zhǎng)x寬x高）的橡膠墊3內(nèi)加工出5個(gè)平行排列（間距10mm）并相互導(dǎo)通的矩形槽（280mmx44mmx6mm），主要起導(dǎo)流作用。
熱電制冷片采用杭州建華熱電制冷集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的teC-12706熱電制冷片，共26片。其最大工作電流6A，電壓15.4V，最大制冷量51.4W，最大溫差67℃。根據(jù)王錦俠等的研究結(jié)果，確定設(shè)計(jì)參數(shù)為：制冷器熱端最高溫度45V-，冷端溫度20°C，工作電壓（DC）12Vo散熱方式熱電制冷片的制冷量和制冷系數(shù)與制冷片冷熱端的溫差密切相關(guān)，溫差越大制冷量越小，制冷系數(shù)越低。對(duì)于特定的熱電制冷片，散發(fā)掉熱端的熱量是提高熱電制冷系數(shù)和增大熱電制冷量的關(guān)鍵。由于控制對(duì)象為營(yíng)養(yǎng)液，其水冷換熱系數(shù)高，換熱效果好，故采用水冷方式進(jìn)行散熱。
電源當(dāng)直流電源的穩(wěn)波系數(shù)小于10%時(shí)，熱電制冷片的制冷性能較好。根據(jù)需要自制了1臺(tái)電源，其交流輸入電壓（AC）220V，直流輸出電壓（DC）12V，最大電流300Ao測(cè)試儀器Datataker600數(shù)據(jù)采集儀和熱敏電阻溫度傳感器，澳大利亞數(shù)據(jù)電子有限公司生產(chǎn)，其測(cè)量精度為士0.050C;ST5124環(huán)境溫度控制器，美國(guó)Aerotech有限公司生產(chǎn)，可以直接控制繼電器工作，控制精度士0.1℃；普通流量計(jì)、直流電壓表、電流表等。
2.3 試驗(yàn)?zāi)康募胺椒?/strong>
目的測(cè)試熱電溫控系統(tǒng)的制冷系數(shù)以及水流量對(duì)制冷系數(shù)的影響；試驗(yàn)驗(yàn)證熱電溫控系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果。
制冷系數(shù)的測(cè)試在電路中接入功率表，記下起始讀數(shù)；利用數(shù)據(jù)采集儀和溫度傳感器記錄和測(cè)量制冷水溫度的變化。按式（1）計(jì)算制冷系數(shù)：
式中：m為制冷水的質(zhì)量，kg;和T:分別為制冷水的初始溫度和每次試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的溫度，℃；W為耗電量，J;。為水的比熱容（假設(shè)為常數(shù)）。
試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)采用2因素3水平的3X3正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，其中因素A為散熱水流量，分別為4.5,5.8和7.1Lmin-1;因素B為制冷水流量，分別為5.6,8.9和11.2Lmin-1。制冷水初始溫度為2610.5°C，散熱水溫度為2610.5°C。采用2個(gè)散熱水箱（分別為進(jìn)水箱和回水箱）盛放散熱水，確保散熱水溫度恒定。制冷水箱箱體外加5cm厚的巖棉保溫材料，減小周圍環(huán)境與制冷水之間傳熱量，其內(nèi)共35kg制冷水。數(shù)據(jù)采集間隔為1min,每次試驗(yàn)30min。試驗(yàn)原理見(jiàn)圖4營(yíng)養(yǎng)液溫度控制試驗(yàn)營(yíng)養(yǎng)液無(wú)土栽培系統(tǒng)主要由水泵、營(yíng)養(yǎng)液槽、栽培槽、閥門(mén)、熱電溫控系統(tǒng)，以及循環(huán)管道等組成（圖5）。試驗(yàn)中共采用2套營(yíng)養(yǎng)液無(wú)土栽培系統(tǒng)，其中1套系統(tǒng)采用熱電溫控系統(tǒng)控制營(yíng)養(yǎng)液溫度，另外1套不采取任何溫度控制措施，營(yíng)養(yǎng)液配方相同。
3 試驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1 制冷系數(shù)
在所試驗(yàn)的流量范圍內(nèi)，熱電溫控系統(tǒng)的制冷系數(shù)約為2046。制冷系數(shù)隨流量的增加而增加（圖6），但制冷系數(shù)的變化率在減小。
當(dāng)散熱水流量從4.5Lmin增加到5.8Lmin時(shí)，制冷系數(shù)的增加量為1.346，而散熱水流量從5.8Lmin增加到7.1Lmin時(shí)，制冷系數(shù)的增加量為0.346。制冷系數(shù)隨制冷水流量的變化有相似的變化規(guī)律。當(dāng)散熱水與制冷水水泵流量最大分別為7.1Lmin和11.2Lmin時(shí)，橡膠墊槽內(nèi)流體的雷諾數(shù)分別為6643和7515，大于2000，流體處于紊流狀態(tài)，從經(jīng)濟(jì)性考慮，沒(méi)有必要繼續(xù)增加流量以提高該系統(tǒng)的制冷系數(shù)。
3.2 營(yíng)養(yǎng)液溫度控制結(jié)果
不同溫控措施下?tīng)I(yíng)養(yǎng)液溫度變化及環(huán)境溫度的變化曲線見(jiàn)圖7。在溫室內(nèi)環(huán)境溫度高達(dá)35℃的情況下，利用熱電溫控系統(tǒng)成功地把營(yíng)養(yǎng)液溫度控制在21-23℃溫度范圍內(nèi)；當(dāng)溫室環(huán)境溫度低于14℃時(shí)，營(yíng)養(yǎng)液溫度可控制在19.5-20.5`C溫度范圍內(nèi)，滿足番茄根際生長(zhǎng)的需要。沒(méi)有采取溫控措施的營(yíng)養(yǎng)液溫度高溫達(dá)40°C，低溫低于160C，根系出現(xiàn)腐爛，影響番茄的正常生長(zhǎng)。2003-10-15采收成熟的番茄，沒(méi)有采取溫度控制措施的番茄平均單果質(zhì)量為0.081kg，采用熱電溫控系統(tǒng)的為0.129kg.
4 結(jié)語(yǔ)
本文所設(shè)計(jì)的熱電溫控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)營(yíng)養(yǎng)液溫度的合理控制，滿足番茄無(wú)土栽培中根際對(duì)營(yíng)養(yǎng)液溫度的要求。該系統(tǒng)不污染環(huán)境，使用方便，能夠?qū)崿F(xiàn)降溫和加熱的目的，并可以根據(jù)不同的需要設(shè)計(jì)出不同規(guī)格的溫控系統(tǒng)。需要指出的是，營(yíng)養(yǎng)液對(duì)銅板會(huì)造成一定的腐蝕，如果營(yíng)養(yǎng)液中Cu2+濃度過(guò)大，番茄會(huì)出現(xiàn)一定程度的中毒現(xiàn)象，因此應(yīng)采用有較強(qiáng)防腐性和較好導(dǎo)熱性的材料或采取一定的防腐措施。
