氣霧式植物培養(yǎng)裝置的設計及分析.pdf

新疆農機化 2024年第2期 doi 10 13620 ki issn1007 7782 2024 02 014 中圖分類號 S31 文獻標識碼 A 0 引言 植物工廠近年來發(fā)展迅速 植物工廠光照培養(yǎng)架 的智能控制是PLC技術與傳感器的結合 可對影響植 物光合作用的光照強度 溫濕度及培養(yǎng)液成分 濃度等 因素進行精確控制從而使植物光合作用的強度達到 最大值并最大程度抑制呼吸作用 進而縮短蔬菜生產 周期 家庭植物工廠因其美觀和可觀賞性成為家庭種 植的新寵 許多學者研究了植物工廠立體式栽培 光 照 濕度 溫度和營養(yǎng)液等重要理論 1 5 現(xiàn)代化植物工廠 主要采用無土栽培技術 包括水培和霧培 其中水培是 將營養(yǎng)液放置在營養(yǎng)箱里供植物汲取養(yǎng)分 霧培是將 作物的根系懸掛 通過設備噴出霧狀營養(yǎng)液 根系通過 吸收空氣中的營養(yǎng)液得以生長 6 7 氣霧栽培技術在黃 瓜 甜瓜 馬鈴薯和番茄等多種植物上成功應用 8 9 氣霧式栽培的優(yōu)勢 1 植物根系直接暴露在充 滿營養(yǎng)液的空氣中 可以充分吸收營養(yǎng) 2 能夠有效 提高肥料的利用率 3 可以有效避免土培導致的土 壤污染問題 4 可以縮短植物培養(yǎng)周期 5 便于觀 察根系生長情況 7 10 氣霧栽培技術中噴霧頻率和噴霧的顆粒大小至 關重要 其直接影響植物的生長以及噴頭的使用壽命 因此本文設計了氣霧式培養(yǎng)裝置 對不同的噴霧頻率 霧化顆粒大小 噴水量進行研究 1 氣霧式培養(yǎng)裝置的結構設計 氣霧式植物工廠培養(yǎng)裝置由栽培區(qū)和設備區(qū)組 成 結構如圖1 栽培區(qū)由箱體 栽培架 進水管路 回水 管路 霧化噴頭 風扇和LED光源組成 設備區(qū)位于柜體 的底部 由儲液箱 紫外線消毒燈 位于貯液箱內 自吸 泵 液位傳感器 位于貯液箱內 和風扇等組成 植物工廠培養(yǎng)裝置采用溫室結構 內部安裝了控 制單元 營養(yǎng)液循環(huán)單元 培養(yǎng)架和監(jiān)測元件等 監(jiān)測 元件采用PLC控制 利用溫度傳感器和濕度傳感器監(jiān) 測數據 用于監(jiān)測培養(yǎng)架的溫度和濕度等指標 當溫濕 度指標超出范圍時將通過控制元件發(fā)送信號控制執(zhí)行 元件進行工作 裝置結構中營養(yǎng)液的循環(huán)單元包括輸送管道 噴 文章編號 1007 7782 2024 02 0048 04 氣霧式植物培養(yǎng)裝置的設計及分析 洪培瑤 1 李澍源 2 1 福建開放大學 福建福州350013 2 福建師范大學 福建福州 350000 摘 要 本文null氣null式栽培模式引入到家null式植物培null裝置中 氣null式噴null方式可促進植物根系生長 發(fā)揮植物生長null能 并提高空間利用率 解決了部分現(xiàn)有家null式植物培null裝置存在的問題 通過理論計算得到null在噴null時供水壓力為0 355MPa 流量為2 277L min 液null從null化盤邊nullnull出的初null度可近null為null化盤的null向null度 其null到100r min時噴null的利用率最高 關鍵詞 氣null 家null植物工null 控制 Designandanalysisofaerosolplantculturedevice HongPeiyao 1 LiShuyuan 2 1 Fujian Open University Fuzhou 350013 Fujian China 2 Fujian Normal University Fuzhou 350000 Fujian China Abstract Inthispaper theaerosolcultivationmodewasintroducedintothehome typeplantculturedevice Theaerosolspray modecanpromotethegrowthofplantroots givefullplaytothegrowthpotentialofplantsandimprovetheutilizationrateofspace whichsolvessomeproblemsexistinginthehome typeplantculturedevice Throughtheoreticalcalculationstoobtainthepumpin thespraywhenthewatersupplypressureof0 355MPa theflowrateof2 277L min dropletsfromtheedgeoftheatomizationdisk thrownoutoftheinitialvelocitycanbeapproximatedasthetangentialvelocityoftheatomizationdisk whichreaches100r min whenthesprayhasthehighestutilizationrate Key words Aerosol Domesticplantfactory Control 基金項目 福建省教育廳中青年教師教育科研項目基金 JAT 220538 校級科研項目 FK22B11C 修回日期 2023 11 16 開發(fā)研究 48 新疆農機化2024年第2期 圖1 氣霧式植物工廠培養(yǎng)裝置整體結構 1 機架2 null化噴頭區(qū)3 LEDnull4 栽培架5 鏈條式升降結構6 主軸7 營null 液收集區(qū)8 營null液null環(huán)系統(tǒng)區(qū) 1 2 3 4 5 6 7 8 頭 電機和循環(huán)泵等 營養(yǎng)液經過泵將噴霧噴入管道 中 通過電磁閥的控制在特定的條件下進行噴霧 為植 物提供所需養(yǎng)分 從葉片上滴落的營養(yǎng)液則通過通道 回流至回收機構 光源采用LED燈 LED燈會隨著時間和植物生 長的變化而改變顏色和光照強度 形成紅藍光配合 鏈 條式升降機構通過電機帶動鏈條傳動進而帶動培養(yǎng)架 上下移動 形成規(guī)律性運動 2 氣霧式培養(yǎng)裝置營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng) 2 1 營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)結構 營養(yǎng)液循環(huán)與控制系統(tǒng)由營養(yǎng)液箱 紫外線消毒 燈 自吸泵 液位開關 進水管路 回水管路及霧化噴頭 等輔件構成 系統(tǒng)結構如圖2 營養(yǎng)液箱用于存儲營養(yǎng) 液 自吸泵用于從營養(yǎng)液箱內抽取營養(yǎng)液并提供系統(tǒng) 所需的水壓 進水管路連接自吸泵與霧化噴頭并通過 霧化噴頭將營養(yǎng)液霧化 使植物獲取水肥 回水管路與 底座上方收集營養(yǎng)液的箱體連接 將營養(yǎng)液重新收集 回營養(yǎng)液箱內 為了避免營養(yǎng)液箱內滋生細菌 在營養(yǎng) 液內設置紫外線消毒燈 同時為了避免系統(tǒng)因營養(yǎng)液不 足導致種植失敗 在營養(yǎng)液箱內配備液位傳感器 2 2 循環(huán)系統(tǒng)關鍵參數設計 氣霧栽培系統(tǒng)中霧化噴頭是關鍵部件之一 直接 關系到設備運行效果 噴霧角度 噴霧直徑 D 噴 嘴與被噴物體的距離 H 重疊部分的寬度 O 噴嘴 間的間距 P 以及噴霧液滴大小主要指標如圖3 圖3 霧化噴頭布置圖 噴霧角度為 2arctan D 2H 1 根據本機構設計 D 100 cm H 30 cm 求得 null 120 管道噴頭流量為 q K 10Pnull 2 式中q 噴頭流量 L min K 流量系數 P 噴頭工作 壓力 MPa 沿程損失為 h f 1 13 10 9 L d 4 871 Q C null null 1 852 3 式中h f 沿程損失 m Q 管道流量 m 3 h C 哈森 威廉姆斯系數 d 管道內徑 mm L 管道長度 m 水泵供水壓力為 H nullh P 0 Z 4 式中H 水泵供水壓力 MPa nullh 管道局部損失累計 值 MPa P 0 最不利點處噴頭的工作壓力 MPa Z 最不利點處噴頭與供水池的最低水位的高度差 MPa 計算可得當高度差為0 5 m時泵供水壓力為0 355 MPa 流量為2 277 L min 對于霧化噴頭的轉速計算 不同的藥液流量和霧化盤轉速會產生不同的霧化模 型 將轉盤式霧化噴頭簡化如圖4 null D H P P 1 2 3 4 5 6 圖2 營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng) 1 回水管路2 null化噴頭3 nullnull線nullnullnull4 液位開關5 自nullnull6 進水管路 導液管 v a v b r a r b 圖4 離心霧化噴頭簡化模型 開發(fā)研究 49 新疆農機化 2024年第2期 上位機 計算機 串行通信接口 輸入接口 下位機 手動開關 限位開關 輸出接口 A D模塊 A D模塊 模擬變送電路 傳感器 繼電器 執(zhí)行機構 壓 力 傳 感 器 溫 度 傳 感 器 濕 度 傳 感 器 傳 感 器 co 2 距 離 傳 感 器 圖5 硬件結構 根據能量守恒定律建立單位質量伯努利方程并 假定液體的流量固定不變 液體不可壓縮 液體自身能 量不變 能量方程為 Vp a v a 2 2 W Q Vp b v b 2 2 5 式中p a 液體流出導液管的壓力 kPa v a 液體流出 導液管的速度 m s p b 液滴從霧化盤拋出時的壓力 kPa v b 液滴從霧化盤拋出時的速度 m s Q 液體流 量 m 3 s 液體密度 kg m 3 W 霧化盤高速旋轉做的 功 J 霧化盤做的功為 W Q r b 2 r a 2 6 將式 6 帶入式 5 得到液滴從霧化盤拋出的速度 v b 2V p a p b v a 2 2 r b 2 r a 2 null 7 由于導液管出口和霧化盤邊緣的液體壓力差很 小 p a p b null0 液體流出速度遠小于液滴拋出速度 v a v b 導液管與轉盤軸線距離很小 r a 2 r b 2 式 7 可化簡 為 v b 2 r b 2 null rb Dn 8 式中 霧化盤角速度 rad s n 霧化盤轉速 r s 因此液滴從霧化盤邊緣拋出的初速度可近似為 霧化盤的切向速度 選取轉速為100 r min 3 氣霧式培養(yǎng)裝置監(jiān)控系統(tǒng)設計 在家庭環(huán)境下 監(jiān)控系統(tǒng)包括控制器 數據采集 器 無線傳感器及外部執(zhí)行結構 傳感器主要涉及光照 傳感器 溫濕度傳感器 CO 2 濃度傳感器 液位傳感器 和PH值傳感器等 系統(tǒng)可以根據環(huán)境變化實時調控 液位高度及營養(yǎng)液濃度等關鍵參數 系統(tǒng)的硬件結構 如圖5 主要涉及上位機 串行通信 A D模塊 傳感器 及接口等硬件 氣霧栽培為間歇循環(huán)式噴霧 環(huán)境溫度及光照強 度對植物影響較大 可以依據這兩個參數設計合適的函 數關系來調整噴霧時間及間停時間 則有 t 噴霧時長 t 1 k W w t 2 t 1 9 T 間停時間 T 2 k W w T 2 T 1 10 k G g 11 式中t 噴霧時長 噴霧開啟時長 s t 1 氣霧閥開啟時間 s t 2 氣霧閥關閉時間 s W 霧化盤高速旋轉做的 功 J w 霧化盤實際轉速做的功 J T 間停時間 噴霧停 止時長 s T 1 光滅時間 s T 2 光照時間 s 在氣霧栽培模式下 幼苗的養(yǎng)分通過噴霧直接供 給 幼苗成長時每5 min噴霧1次 植物吸收的養(yǎng)分和 水分充足 保證了植株的快速生長 當植物到成熟期 之后以濕度傳感器檢測到的濕度作為氣霧閥的開閉標 準 對于普通植株 濕度范圍在30 60 之間 當濕度 低于30 時氣霧閥開啟 開始噴霧 當濕度高于60 時氣霧閥關閉并打開設備 保持空氣流通 氣霧控制 流程如圖6 圖6 濕度控制流程圖 4 結論 本文以氣霧式家庭植物工廠為研究對象 設計了 一款自動化培養(yǎng)裝置對光源 二氧化碳和溫濕度等參 數進行控制 著重對霧化盤進行了理論分析 計算得 開始 濕度 傳感器 30 null RHnull60 RH 30 RH 60 氣霧閥門 打開 氣霧閥門 關閉 Y N N Y Y 開發(fā)研究 50 新疆農機化2024年第2期 圖4 樣機田間試驗 上接第43頁 體積 m 3 表1 方捆測量數據 3 3 試驗結果與分析 試驗前設定方捆長度為1 5 m 設定密度調節(jié)油 缸壓力為2 MPa 試驗過程中通過保持打捆機密度調 節(jié)油缸相同壓力情況下成型方捆 通過測量方捆的體 積尺寸和重量計算方捆密度 根據試驗結果 在方捆長度1 5 m 密度調節(jié)油缸 壓力2 MPa下 隨機抽取5個方捆 實測方捆密度分 別為 174 43 kg m 3 184 45 kg m 3 180 95 kg m 3 173 73 kg m 3 184 01 kg m 3 此外整機在試驗過程中壓縮機構 工作穩(wěn)定 性能可靠 方捆成型效果良好 均達到草捆 密度大于150 kg m 3 的技術條件 可以滿足作業(yè)要求 4 結論 1 文中設計了一種六道捆繩打捆機壓縮機構 確定了壓縮機構的有效行程為740 mm 偏心距85 mm 極為夾角3 并根據參數之間的幾何關系計算出 曲柄長度和連桿長度分別為368 mm和1 156 mm 2 田間試驗結果表明整機試驗過程中壓縮機構 工作穩(wěn)定 性能可靠 能實現(xiàn)物料連續(xù)壓縮成型打捆 作業(yè) 成型方捆密度為170 190 kg m 3 優(yōu)于評價要求 滿足打捆收獲作業(yè)要求 參考文獻 1 朱奕庚 姚林曉 古冬冬 等 國內外秸稈打捆機械研究現(xiàn) 狀與展望 J 農機使用與維修 2023 2 31 34 2 劉德 國產大方草捆打捆機進口替代破局思考 J 農業(yè)機械 2023 1 52 55 3 劉祥鵬 孫傳祝 姜常尊 等 小型方草捆打捆機壓縮機構 設計 J 農機化研究 2012 34 12 76 79 4 王剛 宋德慶 薛忠 等 小型甘蔗葉方捆打捆機壓縮機構的 設計與分析 J 廣東農業(yè)科學 2013 40 21 182 185 5 中國農業(yè)機械化科學研究院 農業(yè)機械設計手冊 M 北京 中國農業(yè)科學技術出版社 2007 6 GB T 25423 2023 方草捆打捆機 S 實際方捆質量 kg 291 3 302 5 285 9 293 6 298 1 序號 1 2 3 4 5 實際方捆尺寸 長null寬null高 m 1 45null1 21null0 95 1 51null1 19null0 91 1 47null1 25null0 86 1 43null1 22null0 97 1 53null1 15null0 92 出轉速 角度 流量和壓力等數值 通過理論計算得到 泵在噴霧時供水壓力為0 355 MPa 流量為2 277 L min 液滴從霧化盤邊緣拋出的初速度可近似為霧化盤 的切向速度100 r min時噴霧的利用率最高 參考文獻 1 張瑞潔 賀忠群 劉雨杭 等 植物工廠中光強對番杏生長發(fā) 育及品質的影響 J 西北農業(yè)學報 2022 31 7 886 892 2 劉紅強 郭三紅 上海地區(qū)日光利用型植物工廠周年生產水 培生菜品種篩選 J 安徽農業(yè)科學 2022 50 1 210 212 3 于暢暢 高振銘 徐麗明 等 植物工廠立體栽培系統(tǒng)多功能作 業(yè)平臺優(yōu)化與試驗 J 農業(yè)工程學報 2022 38 1 266 275 4 方慧 伍綱 程瑞鋒 等 基于CFD的植物工廠冠層微環(huán)境管 道通風效果模擬 J 農業(yè)工程學報 2021 37 22 188 193 5 洪培瑤 林斯樂 張騰敏 等 植物工廠培養(yǎng)架系統(tǒng)設計 J 福 建電腦 2021 37 10 86 89 6 郭世榮 無土栽培 M 北京 中國農業(yè)出版社 2003 7 楊學坤 鄭士朝 氣霧栽培式家庭植物工廠設計 J 中國農機 化學報 2022 43 4 38 45 8 李宗耕 楊其長 沙德劍 等 植物工廠水培葉菜生產全程機 械化研究進展 J 中國農業(yè)大學學報 2022 27 5 12 21 9 李芮 李建設 高艷明 等 農用硒肥對采后植物工廠水培生 菜品質的影響 J 江蘇農業(yè)科學 2021 49 20 159 165 10 路軍靈 仝宇欣 李揚眉 等 根際通電栽培對植物工廠生菜 生長及葉燒病發(fā)生的影響 J 中國農業(yè)大學學報 2021 26 8 173 181 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 開發(fā)研究 51