Системи децентралізованого забезпечення мікроклімату розсадних відділень теплиць

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Системи децентралізованого забезпечення мікроклімату розсадних відділень теплиць

Спеціальність 05.23.03 - вентиляція, освітлення та теплогазопостачання

Чепурна НАТАЛІЯ ВОЛОДИМИРІВНА

Київ 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник:МАЛКІН ЕДУАРД СЕМЕНОВИЧ

доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри теплотехніки Київського національного університету будівництва і архітектури

Офіційні опоненти

ДРАГАНОВ БОРИС ХАРЛАМПІЙОВИЧ

доктор технічних наук, професор кафедри теплоенергетики Національного Університету біоресурсів і природокористування України

ДОВГАЛЮК ВОЛОДИМИР БОРИСОВИЧ

кандидат технічних наук, доцент кафедри теплогазопостачання і вентиляції Київського національного університету будівництва і архітектури

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з гострих проблем сектора агропромислового комплексу України є розвиток тепличних господарств. В умовах постійного росту цін на енергоносії, постає питання щодо удосконалення конструктивних рішень теплиць з метою скорочення витрат теплоенергоресурсів і зниження питомих витрат матеріалів, підвищення врожайності та якості вирощеної продукції, застосування нових прогресивних агротехнологій.

Важливим фактором, що впливає на ефективність овочівництва закритого грунту, є широке впровадження автоматизованого управління та контролю параметрів мікроклімату, високоефективних і надійних в експлуатації систем мінерального живлення за рахунок краплинного зрошення, комп'ютерного моніторингу розвитку хвороб рослин та поширення шкідників, біологічних методів захисту.

Теплиці з штучним мікрокліматом є дуже енерговитратними спорудами: так в залежності від виду та способу опалення питомі теплові витрати можуть складати 300 - 700 Вт/м². Ці витрати в значній мірі обумовлені тим, що в усьому об`ємі теплиці підтримуються високі температура та вологість повітря. Інженерні системи повинні забезпечувати необхідні для розвитку рослин параметри мікроклімату безпосередньо у зонах росту, а за їх межами - мінімально допустимі. За рахунок цього можна досягти зниження питомих енерговитрат в 2,5…3 рази. Крім того, децентралізація зон росту дозволить підвищити врожайність за рахунок скорочення терміну визрівання і створення умов для недопущення розповсюдження захворювань рослин по всій теплиці.

Результати виконаних раніше наукових досліджень не враховували багатофакторний вплив параметрів процесів і тому не дозволяють надійно та в повному обсязі обґрунтувати конструктивні та технологічні рішення систем забезпечення мікроклімату в зонах вегетації рослин.

Таким чином, робота, яка присвячена обґрунтуванню і створенню в розсадних відділеннях теплиць систем і обладнання для децентралізованого забезпечення мікроклімату, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в рамках державної програми «Енергозбереження в Україні» і тісно пов'язана з планами держбюджетної тематики Київського національного університету будівництва і архітектури на замовлення Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України (№ державної реєстрації 0111U003576).

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є наукове обґрунтування і розробка удосконалених систем децентралізованого забезпечення мікроклімату розсадних відділень теплиць та створення методики їх розрахунку. мікроклімат розсадний теплиця повітряний

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- проаналізувати існуючі методи вирощування розсади та системи забезпечення необхідних параметрів мікроклімату розсадних відділень теплиць та їх енергетичні характеристики;

- побудувати фізичну модель розповсюдження повітряних потоків та провести аналітичні дослідження процесів повітрообміну і тепломасообміну всередині робочого об'єму міні-теплиці з децентралізованим забезпеченням мікроклімату та у просторі між міні-теплицями;

- розробити методику та провести експериментальні дослідження повітряних потоків і процесів тепломасообміну в робочому об'ємі міні-теплиці та в зоні обслуговування;

- розробити методику інженерного розрахунку системи децентралізованого забезпечення мікроклімату в міні-теплицях та в загальному об'ємі розсадного відділення теплиці.

Об`єкт дослідження - система децентралізованого забезпечення мікроклімату розсадних відділень теплиць.

Предмет дослідження - процеси і параметри повітро- та тепломасообміну в системах децентралізованого забезпечення мікроклімату розсадних відділень теплиць.

Методи досліджень - фізичне моделювання процесів повітро- та тепломасообміну з проведенням аналітичних досліджень. Для оцінки достовірності виконаних досліджень проведено планування багатофакторних експериментів і статистична обробка отриманих результатів.

Наукова новизна отриманих результатів:

- науково обґрунтовано фізичні моделі процесів повітро- та тепломасообміну всередині і зовні міні-теплиць, які дозволили створити системи децентралізованого забезпечення мікроклімату, і на їх основі проведено аналітичні дослідження цих процесів;

- отримано залежності для визначення температурно-вологісних та швидкісних параметрів на базі аналітичних і експериментальних досліджень процесів повітро- і тепломасообміну, а на їх основі розроблено методику розрахунку систем децентралізованого забезпечення мікроклімату;

- експериментально обґрунтована доцільність застосування міні-теплиць з системами децентралізованого забезпечення мікроклімату для підтримання більш рівномірних і стабільних нормативних параметрів теплового режиму для росту рослин та суттєвого зменшення енерговитрат з одночасним підвищенням врожайності.

Практичне значення одержаних результатів:

Розроблено методику інженерного розрахунку, яка дозволяє визначати основні параметри тепловологісного режиму теплиці з системами децентралізованого забезпечення мікроклімату, та впроваджено в практику проектування у Державному підприємстві «Інститут споруд захищеного ґрунту «Діпропромтеплиця» та в робочих проектах ТОВ «Фірма Теплицьтехмонтаж». Використання розробленої методики інженерного розрахунку дає можливість проектувати системи опалення розсадних відділень, оснащених міні-теплицями.

Результати дисертаційної роботи та запропоновані технічні рішення міні-теплиці з системою децентралізованого забезпечення мікроклімату впровадженні у виробництво ВАТ «Комбінат «Тепличний» та у тепличному комбінаті ТОВ «Камелія - PR». Застосування міні-теплиць дозволить отримати високоякісну розсаду, скоротити термін вегетації, зменшити металоємність загальної системи опалення та заощадити теплову енергію за період вирощування розсади на 30% та значно зменшити використання природного газу.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові ідеї та положення, результати аналітичних і експериментальних досліджень, що викладені в дисертаційній роботі, отримані особисто автором на базі виконаного аналізу методів визначення параметрів теплового режиму теплиць та конструктивних схем існуючих систем опалення і вентиляції теплиць. Обгрунтовано ідеї децентралізації мікрокліматичних зон в розсадних відділеннях теплиць та запропоновано фізичну модель процесів тепломасообміну всередині робочого об'єму та ззовні міні - теплиць з системами децентралізованого забезпечення мікроклімату. Отримано залежності для визначення основних параметрів мікроклімату та температурно - швидкісного поля у робочому об'ємі міні - теплиць. Розроблено методику інженерного розрахунку опалення теплиці з системами децентралізованого забезпечення мікроклімату.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень і головні положення дисертаційної роботи доповідались на 60-72-й науково - практичних конференціях Київського національного університету будівництва і архітектури (м. Київ, 1999-2011 рр.), на наукових конференціях молодих вчених, аспірантів і студентів Київського національного університету будівництва і архітектури (м. Київ, 2007-2011 рр.), на науковій конференції Науково-дослідного інституту санітарної техніки (м.Київ, 1999 рік), на Міжнародній науково-практичній конференції молодих вчених і студентів «Екологічні проблеми природокористування та ефективне енергозбереження» (м.Київ, 2010-2011 рр.), на Міжнародній науково-практичній конференції «Научно - инновационные основы повышения эффективности овощеводства» (м. Мінськ, Республіка Білорусь, 2010 р.).

Публікації.

За матеріалами дисертації опубліковано 15 друкованих робіт, в тому числі 10 у фахових виданнях, одержано 2 патенти України.

Структура та обсяг дисертації.

Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаної літератури з 157 найменувань та 7 додатків. Робота викладена на 165 сторінках, містить 53 рисунків та 25 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність даної роботи, визначено мету та задачі досліджень, відмічено наукову новизну та практичне значення, особистий внесок автора роботи, відомості про апробацію досліджень та публікації.

У першому розділі розглянуто сучасний стан розвитку тепличних господарств України, представлено аналіз систем забезпечення необхідних параметрів мікроклімату в теплицях та їх енергетичні характеристики.

Проведений аналіз робіт Д.О. Куртенера, О.Г. Єгіазарова, Л.М. Ануфрієва, Б.Х. Драганова, Г.М. Позіна, Г.Г. Шишка, О.М. Агаркової, А.Ф. Строя, Н.Г. Захарова, В.А. Ткаченка, В.Б. Довгалюка та ін. дав змогу виявити основні переваги та недоліки існуючих систем забезпечення необхідного мікроклімату в теплицях. Визначено основні фактори, які впливають на вирощування рослин, а саме: рівномірність температурного поля в зоні вегетації та плавність переходу нічних температур на денні і навпаки.

Виконано аналіз існуючих систем забезпечення мікроклімату, а також розподілу температур всередині теплиці при різних системах обігріву. За даними цих авторів можна зробити висновок, що при повітряному опаленні з подачею повітря в нижню зону температурне поле більш рівномірне по висоті, ніж при верхньому обігріві.

Системи обігріву існуючих розсадних відділень теплиць працюють для підтримання температури внутрішнього повітря в усьому об'ємі в межах 20…30^оС, хоча робоча зона в розсадний період складає до 10% від загального об'єму. Застосування систем децентралізованого забезпечення мікроклімату дасть змогу забезпечити необхідні параметри повітря лише в зоні вегетації рослин, досягти рівномірності розподілу температури, а також зменшити витрати тепла. При чому відзначено, що на обігрів теплиць витрачається до 70% від усіх експлуатаційних витрат.

Значну увагу приділено методам вирощування розсади і обладнанню для їх реалізації. Основна ідея полягає в тому, що при впровадженні систем децентралізованого забезпечення мікроклімату, які в подальшому називатимемо міні-теплиці, в розсадних відділеннях забезпечуються необхідні параметри повітря тільки у зоні росту розсади на різних стадіях її розвитку, а в іншому об`ємі - в зоні обслуговування міні-теплиць - температури 8…15⁰С. Таким чином, застосування міні-теплиць в тепличних господарствах повинно дати значну економію теплової енергії, зменшити металоємність теплиць, покращити умови росту та запобігти розповсюдженню хвороб рослин по всій теплиці.

Зазначено, що в спеціалізованій літературі недостатньо викладено науково обґрунтовані методи розрахунку теплового режиму теплиць для розсадного періоду. На підставі виконаного аналізу даних теоретичних і експериментальних досліджень можна зробити висновок про необхідність подальшого вдосконалення моделей з врахуванням багатофакторного впливу різних процесів і механізмів. На їх основі розроблено надійні інженерні методи розрахунку технологічних і конструктивних параметрів систем децентралізованого забезпечення мікроклімату розсадних відділень теплиць, що дозволило для вирішення цих питань сформулювати мету і задачі досліджень за темою дисертації.

Другий розділ присвячено дослідженням експериментального зразка міні-теплиць з системами децентралізованого забезпечення мікроклімату тепломасообмінних процесів, тобто вирішенню внутрішньої задачі.

При моделюванні повітряних потоків і тепломасообмінних процесів у внутрішньому об'ємі міні-теплиці за основу приймалась методика, яка була розроблена І.А. Шепелєвим.

Фізична модель, що описує процеси повітрообміну всередині зон децентралізованого мікроклімату, тобто в робочому об'ємі міні-теплиці, базується на таких принципах: припливне повітря подається вздовж довгих сторін міні-теплиці у вигляді струменів один назустріч іншому. Спочатку струмини настилаються на нижню поверхню міні-теплиці і після зустрічі об'єднаним потоком підіймаються до верхньої поверхні. Там знову відбувається розподіл на два потоки. По ходу цих потоків частина повітря видаляється витяжними повітропроводами. Інша частина, у вигляді гравітаційних потоків, що виникають при контакті з холодними вертикальними поверхнями зовнішніх огороджень, циркулює у просторі між припливними струменями і відсмоктуючими факелами, взаємодіючи з ними (рис.1).

Рис.1. Фізична модель розповсюдження повітряних потоків всередині міні-теплиці

На підставі загальної теорії вільних струмин Г.Н. Абрамовича І.А. Шепелєвим введено поняття кінетичної і теплової характеристики, що істотно спрощує задачу знаходження температурного поля та поля швидкості. Але, І.А. Шепелєвим була запропонована формула для вільної струмини, розрахунок по якій добре відповідає достатньо віддаленим від щілини ділянкам.

Для плоскої напівобмеженої ізотермічної струмини кінематична характеристика дорівнює:

, (1)

де _о - швидкість в щілині, м/с; c - емпірична константа для плоскої струмини, с = 0,12; F_o - площа щілини, м²; L - довжина щілини, м.

Було проведено уточнення формули з врахуванням напівобмеженості струмини, а також з використанням поняття відносних координат:

, де - ширина щілини, м; .

Звідки,

. (2)

Наведені вище рішення дали можливість використовувати формулу без просторових обмежень.

Отже, значення швидкості у будь-якій точці можна знайти за формулою:

, (3)

де L_о - одинична довжина, м.

Розрахунки проводились для двох режимів:

1) при температурі поза зоною децентралізованого мікроклімату, тобто в зоні обслуговування міні-теплиць t_зовн =12С:

_о = 0,22 м/с М=0,174.

2) при температурі в зоні обслуговування міні-теплиць t_зовн =15С:

_о = 0,13 м/с М=0,102.

Для струмин, які витікають з прямокутних отворів і настилаються на поверхню, можна використовувати формули для плоскої струмини, але підставляти замість напівширини сопла повне його значення.

Примежовий шар з боку площини має незначну ширину, а з зовнішньої сторони він швидко розростається, набуваючи приблизно вигляду плоскої вільної струмини.

Аналіз характеру руху повітряної струмини всередині міні-теплиці дозволяє зробити висновок про наявність таких характерних ділянок, притаманних розвитку конвективного потоку, що розповсюджується в замкненому просторі, як ділянка розгону, ділянка взаємодії з нагрітою поверхнею субстрату або опалювальною поверхнею та охолодженими огороджуючими поверхнями до ділянки розгону та так званої «застійної зони».

У разі використання технології децентралізованого забезпечення мікроклімату задача визначення температурного та швидкісного розподілу зводиться до розгляду розвитку термогравітаційних повітряних фонтанів в приміщенні за межами міні-теплиць. При розташуванні міні-теплиць над приладами загального опалення, вирішення такої задачі ускладнюється тим фактором, що після першої зони розвитку повітряного фонтану (над приладами системи опалення), в другій зоні повітряні струмини відчувають вплив джерела теплоти, в нашому випадку, це міні-теплиці (рис.2).

Для аналітичного вирішення зовнішньої задачі знаходження профілів швидкостей і температур в перерізах конвективних потоків використовуємо гіперболічні функції, справедливі для плоских потоків вільної і вимушеної конвекції:

; (4)

, (5)

де - швидкість в довільній точці фонтана з координатами y та z, м/с; - швидкість всередині поперечного перерізу на рівні z (y = 0), м/с; - надлишкова температура в довільній точці повітряного фонтана з координатами y та z:

, ^оС, де - значення надлишкової температури в зоні поза впливом повітряної струмини, ^оС; - надлишкова температура в всередині поперечного перерізу струмини на рівні z (y = 0), ^оС, , ^оС; - полярна координата, , де с - дослідна константа, дорівнює с = 0,04.

Наявність гіперболічного косинусу в правій частині зумовлена близькістю реального розподілу температур до кривої , причому, кутовий коефіцієнт виражає кут розкриття кривої розподілу. Цей коефіцієнт регламентує зміну температури в залежності від вертикальної (z) та горизонтальної (y) координат, при чому нулем сітки якої виступає точка розташована біля джерела теплоти, що відповідає максимальним значенням швидкості та надлишкової температури. Аналізуючи характер розвитку конвективної струмини, зроблено висновок, що значення надлишкової температури буде зменшуватися при віддаленні від осі струмини симетрично по горизонталі, та при віддаленні від джерела теплоти - по вертикалі.

Рис. 2. Фізичні моделі розповсюдження повітряних струменів в теплиці:

1 - міні-теплиці; 2 - труби системи опалення теплиці;

3 - шторний екран; 4 - випромінювачі періодичної дії (для танення снігу)

В основу аналізу покладені наступні припущення:

- джерела теплоти (труби системи опалення та тепловіддаючі поверхні міні-теплиць) моделюються, як концентричні джерела теплоти;

- швидкість і температура повітряного потоку по осі х не змінюється;

- в першій зоні (від труб системи опалення до міні - теплиці) тепловий потік дорівнює тепловіддачі труб системи опалення під міні-теплицею, що розглядається: , а в другій зоні тепловий потік дорівнює сумі теплового потоку в першій зоні та тепловіддачі міні-теплиці:

;

- тепловий потік в поперечних перерізах фонтана в кожній зоні постійний та дорівнює тепловому потоку на початку витікання, тобто

. (6)

Приріст кількості руху маси повітря, що переміщується між двома поперечними перерізами, дорівнює діючій між цими перерізами під'ємної (архімедової) сили, тобто

. (7)

Отже, можемо визначити значення окремих членів в рівняннях (6) та (7) .

Конвективний тепловий потік в поперечному перерізі на висоті z:

(8)

де - середня густина повітря, кг/м³; C_р - ізобарна теплоємність, ; l - довжина робочого блоку, м; - густина повітря поза повітряної струмини, кг/м³.

Кількість руху масової витрати повітря, що переміщується через z:

(9)

Приріст кількості руху по висоті:

. (10)

Під'ємна сила дорівнює:

. (11)

Отримуємо систему рівнянь для визначення величин та :

 (12)

Приводимо до стандартного лінійного диференціального рівняння Бернуллі:

Звідки

(13)

Значення надлишкової температури всередині поперечного перерізу струмини на рівні z (y = 0) визначаємо за формулою:

(14)

Отже, використовуючи ці залежності можна знайти розподілення швидкостей та надлишкових (а значить і дійсних) температур у всіх точках:

, (15)

де - лінійна густина теплового потоку джерела теплоти, Вт/м; - прискорення вільного падіння, м/с²; - температура повітря в області поза зоною впливу струмини, К; C_р - середня ізобарна теплоємність повітря, кДж/(кг·К); - густина повітря поза повітряної струмини, кг/м³; z - вертикальна координата, м; y - горизонтальна координата, м.

Середня температура по площині перерізу yz визначалась залежністю:

, де . (16)

Схема розвитку повітряних потоків може бути описана таким чином: повітря з температурою 13-14^оС від потоків, що опускаються додолу, підходить до труб системи водяного опалення, які розташовані під міні - теплицями та до теплих повітряних струменів, що утворюються над цими трубами. Температура потоку біля зони розташування міні-теплиць становить приблизно 15^оС; потім потік повітря нагрівається при обтіканні міні-теплиць до температури близько 20^оС і піднімається догори до зустрічі з холодним повітрям, що опускається від шторного екрану, змішується з ним. Після цього повітряний потік з температурою 13-14^оС опускається донизу, де нагрівається при контакті з трубами системи опалення та при змішуванні зі струминами нагрітого повітря над трубами і так далі. Біля зовнішніх вертикальних огороджень струмінь, що опускається, ще додатково охолоджується при контакті з ними до 10^оС.

Узагальнення результатів фізичного моделювання теплових і повітряних режимів дає змогу стверджувати, що найбільший градієнт температур спостерігається по центру міні-теплиці (по осі z). В зоні над ними градієнт температур незначний і не перевищує 3^оС безпосередньо по осі z, а зворотній градієнт спостерігається через 0,3м від осі z. З віддаленням від осі z температура повітря фактично дорівнює температурі в робочій зоні теплиці. Таке положення стосується і температури охолодженого при контакті з шторним екраном потоку повітря, що надходить до внутрішньої поверхні зовнішніх огороджень. Швидкість повітряного потоку по осі z над міні-теплицями та в загальному об'ємі теплиці знаходиться в діапазоні 0,3…0,8 м/с. У просторі між шторним екраном і нахиленими поверхнями покрівлі встановлюються труби з екранами, за рахунок чого підтримується температура 3-5^оС в цьому об'ємі та включається на повну потужність в періоди інтенсивних снігопадів.

Третій розділ присвячено експериментальним дослідженням параметрів повітря всередині міні-теплиці та в зоні обслуговування. У ньому наведено методику планування і статистичної обробки результатів експерименту. При плануванні експериментів були враховані вимоги нормативних документів, згідно ВНТП-СГіП-46-19-96. Дослідження основних параметрів мікроклімату проведені в діапазоні: температури t=15…30⁰C, швидкості щ = 0,01…0,3 м/с і відносної вологості ц =50…100%.

Дослідження на моделі проводились після досягнення стаціонарного теплового і повітряного режимів. Під час досліджень вимірювались: температура і швидкість повітря на вході і виході з міні-теплиці, кількість води та її температура на вході і виході з системи живлення; температури поверхонь огороджуючих конструкцій, температура і відносна вологість у внутрішньому об'ємі моделі та поза неї. Дослідження виконувались на 3-х експериментальних міні-теплицях в масштабі 1:1. Схема однієї експериментальної установки (міні-теплиці) наведена на рис.3, конструкція інших - аналогічна.

Натурні дослідження процесів розповсюдження повітря в просторі між міні-теплицями були проведені при встановлені міні-теплиць на дільниці з'єднувального коридору теплиць №1,2 тепличного комбінату ТОВ «Камелія - PR».

Геометричні розміри міні-теплиці: ширина - 1200 мм; довжина - 1600 мм; висота - 600 мм. Каркас блоку - металевий. Висота визначалась виходячи з того, що максимальна висота розсади 3040 см. Зона росту розсади відокремлюється від загального об'єму теплиці за допомогою чотирьох бічних і верхнього екранів (огороджуюча конструкція), виконаних з поліетиленової плівки товщиною 150 мкр. При чому, бічні екрани трансформуються, що в свою чергу дає змогу технологічно обслуговувати розсаду.

Обігрів робочого об'єму здійснювався нагрітим повітрям. В якості тепловіддаючого елемента використовувався теплоелектронагрівач (ТЕН) потужністю 1 кВт, підключений до електромережі з напругою 220 В через стабілізатор напруги та лабораторний автотрансформатор (ЛАТР). Під час експериментальних досліджень потужність ТЕНа змінювалась в діапазоні від 300 Вт до 1 кВт. Виміри напруги і сили електричного струму, а також використаної потужності здійснювались за допомогою комплекту приладів, розташованих на пульті управління (вольтметр, амперметр, ватметр). Система контрольно-вимірювальних приладів складається з термоелектрометричних і термометричних пристроїв.

В період проведення натурного експерименту кожна серія дослідів включала в себе визначення таких параметрів мікроклімату, як температури зовнішнього повітря (в загальному об'ємі теплиці), внутрішньої температури міні-теплиці, відносної вологості і вологовмісту повітря всередині міні-теплиці та ззовні, швидкості повітря по об'єму міні-теплиці, швидкості повітря у припливних та витяжних отворах повітророзподільників.

Оптимальні параметри мікроклімату для росту розсади та низькорослих рослин не постійна і залежить від фази росту, освітлення, періоду доби та розвитку рослин. Проведення наших досліджень було проведено в три етапи:

I - пророщування; II - поява всходів; III - готова розсада.



Рис.3. Схема експериментальної установки:

1 - горизонтальна огороджуюча конструкція; 2 - витяжний повітропровід;

3 - вертикальна огороджуюча конструкція; 4 - припливний повітропровід;

5 - субстрат; 6 - шибер; 7 - осьовий вентилятор; 8 - амперметр; 9 - вольтметр; 10 - автотрансформатор ЛАТР; 11 - електронагрівач (ТЕН); 12 - ватметр; 13 - зволожувач; 14 - стелаж; 15 - система живлення та поливу;

16 - термопари; 17 - перемикач термопар; 18 - мілівольтметр; 19 - резервуар системи поливу

Термоелектрометричий пристрій складався з хромель-копелевих термопар, зкомутованих через систему пакетних перемикачів з потенціометром ПП-63, клас точності 1. Двадцять хромель-копелевих термопар d = 0,1мм, призначені для виміру температурного режиму моделі, розміщувались в робочій зоні міні-теплиці відповідно до розрахункової схеми по всій площині та на різних висотах. Всі термопари приєднувались до щіткового перемикача, електрорушійна сила в яких вимірювалась за допомогою цифрового вольтметра Ф283. При визначенні кількості контрольованих точок приймалися до уваги результати досліджень інших авторів, а також величина температурних градієнтів і необхідна точність вимірювань.

Для вимірювання швидкості повітря у внутрішньому об'ємі міні-теплиці застосовувався термоанемометр “Тesto 425” з точністю 0,5%. Тому для зменшення величини похибки для кожної точки вимірювання проводили з інтервалом у 20 сек. Причому термоанемометр вимірював швидкість повітря з одночасним виміром його температури. Це дало змогу перевірити достовірність отриманих значень температур за допомогою термопар.

Для вимірювання параметрів повітря робочий об'єм міні-теплиці був поділений координатною сіткою по висоті, ширині та довжині, у вузлах якої визначалась швидкість руху повітря. У вертикальній площині вимірювання проводилися у вузлах сітки через кожні 100 мм, а у горизонтальній - 200 мм.

Рис. 4. Експериментальні (а) та розрахункові (б) значення температури в міні-теплиці при t_норм.=21…23^оC; ц=70%

Розподіл температур (рис. 4) по висоті та площині міні-теплиці свідчать про достатній збіг при порівнянні з даними, отриманими при теоретичних розрахунках, розбіжність не перевищує 2%, та задовольняє технологічним нормам вирощування розсади.

Для дослідження відносної вологості (_вн) повітря було застосовано психометричний метод вимірювання. Тобто використовувались психрометри, виготовлені з двох ХК-термопар, спай однієї з яких обгорнутий змоченою у воді тканиною. Значення відносної вологості визначались за психометричним графіком по показникам мокрого і сухого термометрів. По І-d діаграмі робили перевірку знайдених значень відносної вологості і для цих же точок знаходили вологовміст (d_вн).

У загальному приміщенні, де знаходилась дослідна установка, за допомогою психрометра аспіраційного Ассмана (тип МВ-4М) вимірювалась відносна вологість (_зов.). По І-d діаграмі відповідно цим значенням визначався вологовміст повітря (d_зов). Результати вимірювання підтвердили можливість підтримання необхідної відносної вологості в робочому об'ємі (=65-85) незалежно від відносної вологості в іншому об'ємі теплиці. Розрахунок випаровування вологи з субстрату в досліджуваному об'ємі виконували з урахуванням норм поливу 3…5 л/м². Кількість вологи за добу дорівнює 0,24…0,4 кг/год. При цьому вологовміст при температурі поза міні-теплицею t_зов.пр= 12С буде дорівнювати d = (6,5…12,9)·10^-4 кг/кг _{сух. пов.}. При власному вологовмісті повітря порядку 12 г/кг _{сух.пов.} додаткове зволоження складе 5…10% , тобто необхідне підсмоктування такої маси свіжого повітря.

Але, якщо відносна вологість повітря, яке надходить - 60%, то його вологовміст складає d = 10 г/кг _{сух.пов.}. При попаданні вологи, максимальна вологість стає d = 11,29 г/кг _{сух. пов.}, тобто =70%, що допускається нормативами (_норм. = 65…75%).

В дійсних умовах в культиваційних спорудах тепловміст виділеного конденсату можна не приймати до уваги, оскільки конденсат з температурою, рівною температурі поверхні теплообміну, стікає вниз, потрапляючи в ґрунт, звідки знову випаровується в повітря. Тому, враховуючи, що тепловміст виділеної при конденсації води (конденсату) дуже малий в порівнянні із загальною тепловіддачею пароповітряної суміші, ними практично можна нехтувати.

Експериментальні дослідження відносної вологості та вологовмісту дали змогу зробити такі висновки: непотрібно встановлювати додаткову систему зволоження повітря (що передбачалось на початку досліджень) за рахунок того, що зовнішнє повітря достатньо вміщує в собі вологи, а випаровування з субстратньої суміші незначне (рис.5). Вологовміст і відносна вологість не виходили за рамки норм технологічного проектування, випадання конденсату не спостерігалось.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Визначення кількості вологи, що випаровується в залежності від температури повітря в міні-теплиці і виду субстрату

Для вимірювання температури в приміщенні (t_вн) використовували лабораторні ртутні термометри зі шкалою 0…50С з ціною поділки 0,1С. Перед дослідженням усі вимірювальні системи були атестовані в регіональному відділені УкрЦСМ.

Аналіз експериментальних досліджень показав, що запропонована система може підтримувати необхідні нормативні параметри мікроклімату без _о зволоження повітря. Температура повітря в робочому об'ємі міні-теплиці розподілялась рівномірно. Максимальна температура спостерігалась біля припливних отворів. По мірі наближення до витяжних отворів температура повітря знижувалась, при цьому різниця середніх температур по досліджуваному об'єму незначна.

При плануванні експериментів з числа можливих факторів були вибрані геометричні розміри об'єму, який досліджували: X - ширина, Х = 1,2м; Y - довжина, Y = 1,6м; Z - висота Z = 0,6м (внутрішня задача) та Z = 4,0м (зовнішня задача). Достовірність результатів факторних експериментальних досліджень обґрунтована перевіркою адекватності запропонованої математичної моделі за відповідними критеріями Стьюдента, Фішера та Кохрена при границі довірчого інтервалу б_н.=0,95 (степінь ризику Р=0,05). Отримані рівняння регресії були уточнені комп'ютерною програмою зі статистичної обробки даних. Для визначення середньої швидкості повітря w, м/с в будь-якій точці при t_зов. = 12^оС отримано такі рівняння:

1) для внутрішнього об'єму міні - теплиці:

2) загальному об'ємі теплиці:

;

Для визначення середньої температури повітря t, ^оС в будь-якій точці отримано такі рівняння:

1) для внутрішнього об'єму міні - теплиці:

;

2) в загальному об'ємі теплиці:

Рівняння регресії вважалось адекватне експериментальним даним у випадку, якщо розрахункове значення критерію Фішера менше його табличного значення.

Можемо відмітити, що на підставі побудови фізичної моделі теплового режиму та проведення аналітичних досліджень було підтверджено припущення про те, що температурний та швидкісний режими в всередині міні-теплиці та ззовні, тобто всередині теплиці, наближені до експериментальних даних. Результати розрахунку полів швидкостей та температур повітря за формулою (15) з достатнім ступенем точності збігаються з результатами, отриманими в ході експериментальних досліджень. За розрахунками розбіжність складає не більше 3%.

Параметри мікроклімату при вирощуванні розсади помідорів

Показники	Згідно ВНТП- СГіП-46-19-96	Розрахун-кові	Експеримен- тальні
Температура в міні-теплиці, єС (від сівби до всходів)	23-25	24	23,5
Температура в міні-теплиці, єС (протягом наступних 4-7 днів)	16-17	16,5	17
Температура в міні-теплиці, єС (до кінця вирощування )	22-24	22	23,5
Температура субстрату, єС (від сівби до всходів)	25	25	25,5
Вологовміст повітря в міні-теплиці, г/кг.с.п.	-	0,65-1,29	11,3
Відносна вологість повітря міні-теплиці, %	60-70	60	65
Вологість субстрату, %	70-80	75	75
Швидкість повітря в міні-теплиці, м/с	не більше 0,3	0,3	0,22
Витрата повітря,кг/с	-	0,086	0,01
Потужність нагрівача, Вт	-	86,5	90
Температура в зоні обслуговування, єС	8-15	12,13	12
Швидкість повітря в зоні обслуговування, м/с	<1,0	0,3-0,7	0,5
Відносна вологість повітря в зоні обслуговування, %	-	60	60

У четвертому розділі запропоновано методику інженерного розрахунку систем децентралізованого забезпечення параметрів мікроклімату, системи опалення в зоні обслуговування та системи сніготанення в теплиці. Особливість даної методики розрахунку полягає в тому, що втрати теплоти від міні-теплиць корисно використовуються для зменшення потужності системи опалення зони обслуговування. Базовими при складанні методики інженерного розрахунку є комплексні залежності визначення теплового балансу та процесів тепломасообміну.

Аналізуючи розподіл температури по об'єму і біля огороджуючих поверхонь, можна стверджувати, що для запропонованої системи біля вертикальних огороджуючих конструкцій середня температура повітря практично дорівнює температурі його в об'ємі теплиці (t_вн=12С). Біля шторного екрану середня температура повітря складає t_вн=16С. Розрахункову температуру у внутрішньому об'ємі міні-теплиць приймаємо t_вн.р.к.=25С. Після цього виконуємо розрахунки тепловтрат при температурі зовнішнього повітря t_{зов.р.о.}=-22С. Для цього спочатку визначимо загальні тепловтрати та тепловтрати міні-теплиць в зовнішнє приміщення. В теперішній час для визначення тепловтрат культиваційних споруд використовують спрощене уявлення, згідно якого тепловий потік прямопропорційний різниці внутрішньої та зовнішньої температур повітря теплиці.

У п'ятому розділі обгрунтовано економічну доцільність використання запропонованої системи децентралізованого забезпечення мікроклімату розсадних відділень теплиць. Техніко - економічне співставлення традиційної водяної системи опалення розсадного відділення теплиці з запропонованою системою показало, що за період вирощування розсади (6 місяців) на 0,5 га теплиць економія середніх питомих витрат теплової енергії на одиницю продукції зменшиться в 2,8 рази при одно ярусному розташуванні міні - теплиць. Також зменшується металоємність системи опалення, а економія металевих труб складє понад 4,5 тис.м. Очікується, що впровадження такої системи дозволить заощадити біля 200 тис.м³ природного газу.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Обґрунтована доцільність розробки системи децентралізованого забезпечення мікроклімату та розроблено вдосконалений метод вирощування розсади і низькорослих рослин в міні-теплицях з автоматичним створенням та підтриманням індивідуальних температурно-вологісних і швидкісних параметрів повітря та потрібного темпу подачі живильного розчину безпосередньо в зону вирощування.

2. На основі вдосконалення метода, запропонованого І.А. Шепелєвим, з урахуванням загальної теорії вільних струми Г.Н. Абрамовича, розроблено уточнені фізичні моделі розповсюдження повітряних потоків і процесів тепломасообміну всередині міні-теплиць та між ними з врахуванням напівобмеженості струмини.

3. На базі уточнених фізичних моделей отримано аналітичні залежності, які дозволяють визначати температурно-вологісні і швидкісні параметри та кінетику процесів руху повітря без просторових обмежень, за рахунок введення поняття відносної координати і кінематичної характеристики струмини.

4. Проаналізовано та підтверджено на основі теоретичних та експериментальних досліджень можливість використання для визначення температурного та швидкісного розподілу в перерізах конвективних потоків гіперболічних функцій, що можуть бути описані рівняннями та , справедливими для плоских потоків вільної конвекції над джерелом теплоти.

5. За результатами аналітичних та експериментальних досліджень доведено, що застосування міні - теплиць з системами децентралізованого забезпечення мікроклімату дозволить забезпечити рівномірність і стабільність нормативних параметрів мікроклімату в зоні росту рослин незалежно від параметрів зовнішнього середовища, з точністю до 2%.

6. Розроблено методику інженерного розрахунку розсадного відділення теплиць з системами децентралізованого забезпечення мікроклімату в робочих зонах, в основу якої покладено аналітичні розв'язання рівнянь, які описують повітряні потоки.

7. На підставі виконаних експериментальних і натурних досліджень доведено, що застосування запропонованих систем дозволить при зниженні загальних витрат теплової енергії в теплиці до 30%, за рахунок створення необхідних параметрів мікроклімату лише в зоні росту збільшити вихід продукції в 2 і більше разів в залежності від кількості ярусів міні-теплиць, дасть можливість одночасного вирощування в теплиці рослин різного періоду вегетації, зменшить захворюваність рослин та покращує культуру виробництва.

8. Результати досліджень використані при розробці технічних рішень та методики інженерного розрахунку і впроваджені на тепличних комбінатах: ТОВ «Камелія - PR», ВАТ «Комбінат «Тепличний» та у Державному підприємстві «Інститут споруд захищеного ґрунту «Діпропромтеплиця» і ТОВ «Фірма Теплицьтехмонтаж».

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Чепурна Н. В. Ефективність системи локального мікроклімату у розсадних відділеннях теплиць / Е. С. Малкін, Н. В. Чепурна // Будівельні матеріали, вироби та санітарна техніка. - К. : ДНДІСТ. - № 15. - 2000. - С. 113 - 116.

Особистий внесок Чепурної Н.В. полягає в обґрунтуванні ідеї децентралізації мікрокліматичних зон в розсадних відділеннях теплиць.

2. Чепурна Н. В. Експериментальні дослідження параметрів повітря в системі локального мікроклімату в розсадних відділеннях теплиць / Е. С. Малкін, Н. В. Чепурна // Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. - Вип. 1. - К. : КНУБА, 2001. - С. 3 - 7.

Особистий внесок здобувача полягає в розробці методик експериментальних досліджень температурних полів у міні-теплицях, проведенні досліджень та обробці експериментальних даних.

3. Чепурна Н. В. Дослідження параметрів повітря в системі децентралізованого мікроклімату розсадного відділення теплиць / Е. С. Малкін, Н. В. Чепурна // Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. - Вип. 4. - К. : КНУБА, 2002. - С. 3 - 7.

Особистий внесок Чепурної Н.В. полягає в розробці методик експериментальних досліджень швидкості та вологості повітря в робочій зоні вирощування рослин - міні-камері, проведенні досліджень та обробці експериментальних даних.

4. Чепурна Н. В. Аналітичні дослідження процесів повітрообміну всередині зон децентралізованого мікроклімату розсадних відділень теплиць / Е.С. Малкін, І. Е. Фуртат, Н. В. Чепурна // Збірник Будівельні матеріали, вироби та санітарна техніка. - К. : ДНДІСТ. - № 17. - 2002 - С. 102 - 105.

Особистий внесок здобувача полягає в аналітичному описанні фізичної моделі процесів повітрообміну всередині зон децентралізованого мікроклімату та проведенні розрахунків.

5. Чепурна Н. В. Системи з штучним децентралізованим мікрокліматом - шлях до підвищення енергоефективності та конкурентоздатності тепличних господарств // Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. - Вип. 7. - К. : КНУБА, 2004. - С. 74 - 81.

6. Чепурна Н. В. Аналітичні дослідження полів швидкостей і температур повітря над робочими камерами у теплицях з децентралізованим мікрокліматом / Е. С. Малкін, І. Е. Фуртат, Н. В. Чепурна // Збірник Будівельні матеріали, вироби та санітарна техніка. - К. : ДНДІСТ. - № 19. - 2004. - С. 63 - 67.

Особистий внесок здобувача полягає в уточненні методики аналітичного розрахунку конвективних потоків над горизонтальним джерелом теплоти значної довжини.

7. Чепурна Н. В. Аналітичні дослідження полів швидкостей і температур повітря в теплицях з децентралізованим мікрокліматом / Е. С. Малкін, І. Е. Фуртат, Н. В. Чепурна // Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. - Вип. 8. -К. : КНУБА, 2005. - С. 40 - 51.

Особистий внесок здобувача полягає в розробці методики аналітичних досліджень температурних і швидкісних параметрів розповсюдження повітряних потоків в теплицях ззовні робочих камер.

8. Чепурна Н. В. Збереження енергоресурсів та підвищення конкурентноздатності тепличних господарств. // Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. - Вип. 11. - К. : КНУБА, 2007. - С. 83 - 88.

9. Чепурна Н. В. Методика інженерного розрахунку систем водяного опалення теплиць з децентралізованими мікрокліматичними камерами // Нова тема. - № 1. - 2007 - С. 9 - 11.

10. Чепурна Н. В. Сучасні енергозберігаючі системи зашторювання теплиць // Нова тема. - № 2. - 2009. - С. 29 - 31.

11. Чепурна Н. В. Резерви і заходи зниження витрати енергоресурсів у тепличних господарствах //Отопление Водоснабжение Вентиляция + кондиционеры. - № 1.- 2006. - С. 68 - 69.

12. Чепурная Н. В. Использование системы с децентрализованым микроклиматом - путь к повышению эффективности производства тепличной продукции (рассады) // Международная научно-практическая конференция «Научно - инновационные основы повышения эффективности овощеводства»: Сборник научных трудов. Том 18. - Минск.: Национальная академия наук Беларуси, РУП «Институт овощеводства». - 2010. - С. 402 - 407.

13. Чепурна Н. В. Енергоефективна система децентралізованого мікроклімату для розсадних відділень культиваційних споруд// Міжнародна науково - практична конференція молодих вчених і студентів «Екологічні проблеми природокористування та ефективне енергозбереження»: Збірник тез доповідей. - К. - 2010. - С. 49 - 50.

14. Патент на корисну модель №22407 UA A01G9/24. Міні-теплиця / Е. С. Малкін., І. Е. Фуртат, В. В. Чепурний, Н. В. Чепурна // Опубл. 25.04.07. Бюл. №5.

Особистий внесок здобувача полягає в обґрунтуванні конструктивних характеристик міні-теплиць та схеми їх функціонування.

15. Патент на винахід №81367 UA A01G9/14. Спосіб вирощування розсади та низькорослих рослин у теплиці / Е.С. Малкін, І. Е. Фуртат, В. В. Чепурний, Н. В. Чепурна // Опубл. 25.12.07. Бюл. № 21.

АНОТАЦІЯ

Чепурна Наталія Володимирівна. Системи децентралізованого забезпечення мікроклімату розсадних відділень теплиць. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.03 - Вентиляція, освітлення і теплогазопостачання. - Київський національний університет будівництва і архітектури, м. Київ, 2011 р.

У дисертації на базі аналізу літературних джерел обґрунтовано перспективність підвищення ефективності виробництва розсадної продукції в теплицях за рахунок впровадження систем децентралізованого забезпечення мікроклімату та удосконаленого методу вирощування розсади та низькорослих рослин.

Показано, що запропонований метод дасть змогу не тільки зменшити витрати енергоресурсів, а й скоротити термін росту розсади, недопущення розповсюдження захворювань, можливість в одному об'ємі теплиці вирощувати різні за вегетативним періодом сорти розсади та низькорослих рослин. На основі виконаних досліджень розроблено методику інженерного розрахунку систем децентралізованого забезпечення мікроклімату в міні-теплицях та системи опалення зони їх обслуговування в розсадних відділеннях теплиць та запропоновані конструктивні рішення міні-теплиць, які передані для впровадження у практику проектування Державному підприємству «Інститут споруд захищеного ґрунту «Діпропромтеплиця» та ТОВ «Фірма Теплицьтехмонтаж».

Результати досліджень використані в тепличних агрокомбінатах “Камелія -PR” та ВАТ «Тепличний». Впровадження систем децентралізованого забезпечення мікроклімату дозволить зменшити середні питомі витрати теплової енергії на одну рослину в 2,8 разів. При переобладнанні традиційної теплиці площею 0,5 га за період вирощування розсади (6 місяців) очікувана економія складе понад 200 тис. м³ природного газу.

Ключові слова: теплиця, культиваційна споруда, захищений грунт, ефективність, тепломасообмін, мікроклімат, розсада, розсадне відділення.

Чепурная Наталья Владимировна. Системы децентрализованного обеспечения микроклимата рассадных отделений теплиц. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.03. - Вентиляция, освещение и теплогазоснабжение. - Киевский национальный университет строительства и архитектуры, г. Киев, 2011.

В диссертации на основе анализа литературных источников сформулированы перспективность повышения культуры и эффективность производства как рассадной продукции так и низкорослых растений, в том числе зеленных культур, в теплицах за счет внедрения систем децентрализованного обеспечения микроклимата непосредственно в зоне роста растений и усовершенствованного метода выращивания рассады и низкорослых растений.

На основе физического моделирования процесов воздухообмена и тепломасообмена получены аналитические зависимости для определения основных параметров микроклимату (температуры, относительной влажности и скорости воздуха).

Экспериментально определены в комплексной форме основные аэродинамические и тепломассообменные характеристики параметров воздуха как внутри мини-теплиц так и в зоне их обслуживания, а также предложен наиболее эффективный метод выращивания рассады и низкорослых растений. Показано, что предложенный метод позволит не только уменьшить затраты энергоресурсов но и сократить срок получения рассады, недопущение распространения заболеваний по всей теплице, возможность в одном объеме теплицы выращивать разные по вегетативным периодам сорта рассады и низкорослых растений. Проведен сопоставительный анализ расчетных и экспериментальных данных и отмечено их практическое совпадение. На основе зависимостей, полученных в результате обработки экспериментальных и натурных данных, разработана методика инженерного расчета систем децентрализованного обеспечения микроклимата в мини-теплицах и системы отопления зоны их обслуживания в рассадных отделениях теплиц.

Предложены конструктивные решения мини-теплиц и метод выращивания рассады и низкорослых растений, а также методика их расчета передан для внедрения в практику проектирования Государственному предприятию «Институт сооружений защищенного грунта «Дипропромтеплиця».

Выполнена оценка экономической эффективности применения систем децентрализованного обеспечения микроклимата в теплице. Результаты исследований использованы в агрокомбинате "Камелия-PR". За период выращивания рассады (6 месяцев) средние удельные затраты топлива на одно растение уменьшатся в 2,8 раза. При этом на площади теплицы 0,5 га предполагаемая экономия природного газа составит более 200 тыс. м³. Общая экономия теплоты от осуществления предложенной системы составит до 30%.

Ключевые слова: теплица, защищенный грунт, тепличное хозяйство, эффективность, тепломассообмен, микроклимат, рассада.

Chepurnaya Nataliya Volodimirovna. Decentralized offices to ensure a microclimate multipallets greenhouses. - Manuscript.

Dissertation for obtaining the Candidate of Technical Science degree in speciality 05.23.03. - Ventilation, illumination and hot-gas supply. - Kyiv State University of Building and Architecture, Kyiv, 2011.

In this thesis, based on analysis of literary sources stated promise to improve the culture and production efficiency as seedling production and stunted plants, including greens, in the greenhouse due to the introduction of decentralized systems provide a microclimate in the immediate vicinity of plant growth and an improved method for growing seedlings and stunted plants.

A comparative analysis of theoretical and experimental data and observed their practice match. On the basis of relationships derived from analysis of experimental and field data, the methodology of engineering design of systems of decentralized security climate in the mini - greenhouse and the heating zone of their service departments in seedling greenhouses.

We propose constructive solutions to mini-greenhouses and the method of growing seedlings and stunted plants, as well as their method of calculation referred to implement the practice of designing state-owned enterprise "Institute facilities brushed the ground," Dipropromteplitsya".

The estimation of economic efficiency of decentralized systems provide a microclimate in the greenhouse. The research results are used in agricultural complex "Kamelia-PR". During the period of seedling (6 months), the average unit cost of fuel per plant respectively in 2,8 times. At the same time for a hectare greenhouse area estimated savings of natural gas will exceed 200 thousand m³. Total savings from the heat of the proposed system will be up to 30%.

Keywords: greenhouse, protected ground, efficiency, heat and mass transfer, microclimate, seedling.

Размещено на Allbest.ru

...