气雾式植物培养装置的设计及分析.pdf

新疆农机化 2024年第2期 doi 10 13620 ki issn1007 7782 2024 02 014 中图分类号 S31 文献标识码 A 0 引言 植物工厂近年来发展迅速 植物工厂光照培养架 的智能控制是PLC技术与传感器的结合 可对影响植 物光合作用的光照强度 温湿度及培养液成分 浓度等 因素进行精确控制从而使植物光合作用的强度达到 最大值并最大程度抑制呼吸作用 进而缩短蔬菜生产 周期 家庭植物工厂因其美观和可观赏性成为家庭种 植的新宠 许多学者研究了植物工厂立体式栽培 光 照 湿度 温度和营养液等重要理论 1 5 现代化植物工厂 主要采用无土栽培技术 包括水培和雾培 其中水培是 将营养液放置在营养箱里供植物汲取养分 雾培是将 作物的根系悬挂 通过设备喷出雾状营养液 根系通过 吸收空气中的营养液得以生长 6 7 气雾栽培技术在黄 瓜 甜瓜 马铃薯和番茄等多种植物上成功应用 8 9 气雾式栽培的优势 1 植物根系直接暴露在充 满营养液的空气中 可以充分吸收营养 2 能够有效 提高肥料的利用率 3 可以有效避免土培导致的土 壤污染问题 4 可以缩短植物培养周期 5 便于观 察根系生长情况 7 10 气雾栽培技术中喷雾频率和喷雾的颗粒大小至 关重要 其直接影响植物的生长以及喷头的使用寿命 因此本文设计了气雾式培养装置 对不同的喷雾频率 雾化颗粒大小 喷水量进行研究 1 气雾式培养装置的结构设计 气雾式植物工厂培养装置由栽培区和设备区组 成 结构如图1 栽培区由箱体 栽培架 进水管路 回水 管路 雾化喷头 风扇和LED光源组成 设备区位于柜体 的底部 由储液箱 紫外线消毒灯 位于贮液箱内 自吸 泵 液位传感器 位于贮液箱内 和风扇等组成 植物工厂培养装置采用温室结构 内部安装了控 制单元 营养液循环单元 培养架和监测元件等 监测 元件采用PLC控制 利用温度传感器和湿度传感器监 测数据 用于监测培养架的温度和湿度等指标 当温湿 度指标超出范围时将通过控制元件发送信号控制执行 元件进行工作 装置结构中营养液的循环单元包括输送管道 喷 文章编号 1007 7782 2024 02 0048 04 气雾式植物培养装置的设计及分析 洪培瑶 1 李澍源 2 1 福建开放大学 福建福州350013 2 福建师范大学 福建福州 350000 摘 要 本文null气null式栽培模式引入到家null式植物培null装置中 气null式喷null方式可促进植物根系生长 发挥植物生长null能 并提高空间利用率 解决了部分现有家null式植物培null装置存在的问题 通过理论计算得到null在喷null时供水压力为0 355MPa 流量为2 277L min 液null从null化盘边nullnull出的初null度可近null为null化盘的null向null度 其null到100r min时喷null的利用率最高 关键词 气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 基金项目 福建省教育厅中青年教师教育科研项目基金 JAT 220538 校级科研项目 FK22B11C 修回日期 2023 11 16 开发研究 48 新疆农机化2024年第2期 图1 气雾式植物工厂培养装置整体结构 1 机架2 null化喷头区3 LEDnull4 栽培架5 链条式升降结构6 主轴7 营null 液收集区8 营null液null环系统区 1 2 3 4 5 6 7 8 头 电机和循环泵等 营养液经过泵将喷雾喷入管道 中 通过电磁阀的控制在特定的条件下进行喷雾 为植 物提供所需养分 从叶片上滴落的营养液则通过通道 回流至回收机构 光源采用LED灯 LED灯会随着时间和植物生 长的变化而改变颜色和光照强度 形成红蓝光配合 链 条式升降机构通过电机带动链条传动进而带动培养架 上下移动 形成规律性运动 2 气雾式培养装置营养液循环系统 2 1 营养液循环系统结构 营养液循环与控制系统由营养液箱 紫外线消毒 灯 自吸泵 液位开关 进水管路 回水管路及雾化喷头 等辅件构成 系统结构如图2 营养液箱用于存储营养 液 自吸泵用于从营养液箱内抽取营养液并提供系统 所需的水压 进水管路连接自吸泵与雾化喷头并通过 雾化喷头将营养液雾化 使植物获取水肥 回水管路与 底座上方收集营养液的箱体连接 将营养液重新收集 回营养液箱内 为了避免营养液箱内滋生细菌 在营养 液内设置紫外线消毒灯 同时为了避免系统因营养液不 足导致种植失败 在营养液箱内配备液位传感器 2 2 循环系统关键参数设计 气雾栽培系统中雾化喷头是关键部件之一 直接 关系到设备运行效果 喷雾角度 喷雾直径 D 喷 嘴与被喷物体的距离 H 重叠部分的宽度 O 喷嘴 间的间距 P 以及喷雾液滴大小主要指标如图3 图3 雾化喷头布置图 喷雾角度为 2arctan D 2H 1 根据本机构设计 D 100 cm H 30 cm 求得 null 120 管道喷头流量为 q K 10Pnull 2 式中q 喷头流量 L min K 流量系数 P 喷头工作 压力 MPa 沿程损失为 h f 1 13 10 9 L d 4 871 Q C null null 1 852 3 式中h f 沿程损失 m Q 管道流量 m 3 h C 哈森 威廉姆斯系数 d 管道内径 mm L 管道长度 m 水泵供水压力为 H nullh P 0 Z 4 式中H 水泵供水压力 MPa nullh 管道局部损失累计 值 MPa P 0 最不利点处喷头的工作压力 MPa Z 最不利点处喷头与供水池的最低水位的高度差 MPa 计算可得当高度差为0 5 m时泵供水压力为0 355 MPa 流量为2 277 L min 对于雾化喷头的转速计算 不同的药液流量和雾化盘转速会产生不同的雾化模 型 将转盘式雾化喷头简化如图4 null D H P P 1 2 3 4 5 6 图2 营养液循环系统 1 回水管路2 null化喷头3 nullnull线nullnullnull4 液位开关5 自nullnull6 进水管路 导液管 v a v b r a r b 图4 离心雾化喷头简化模型 开发研究 49 新疆农机化 2024年第2期 上位机 计算机 串行通信接口 输入接口 下位机 手动开关 限位开关 输出接口 A D模块 A D模块 模拟变送电路 传感器 继电器 执行机构 压 力 传 感 器 温 度 传 感 器 湿 度 传 感 器 传 感 器 co 2 距 离 传 感 器 图5 硬件结构 根据能量守恒定律建立单位质量伯努利方程并 假定液体的流量固定不变 液体不可压缩 液体自身能 量不变 能量方程为 Vp a v a 2 2 W Q Vp b v b 2 2 5 式中p a 液体流出导液管的压力 kPa v a 液体流出 导液管的速度 m s p b 液滴从雾化盘抛出时的压力 kPa v b 液滴从雾化盘抛出时的速度 m s Q 液体流 量 m 3 s 液体密度 kg m 3 W 雾化盘高速旋转做的 功 J 雾化盘做的功为 W Q r b 2 r a 2 6 将式 6 带入式 5 得到液滴从雾化盘抛出的速度 v b 2V p a p b v a 2 2 r b 2 r a 2 null 7 由于导液管出口和雾化盘边缘的液体压力差很 小 p a p b null0 液体流出速度远小于液滴抛出速度 v a v b 导液管与转盘轴线距离很小 r a 2 r b 2 式 7 可化简 为 v b 2 r b 2 null rb Dn 8 式中 雾化盘角速度 rad s n 雾化盘转速 r s 因此液滴从雾化盘边缘抛出的初速度可近似为 雾化盘的切向速度 选取转速为100 r min 3 气雾式培养装置监控系统设计 在家庭环境下 监控系统包括控制器 数据采集 器 无线传感器及外部执行结构 传感器主要涉及光照 传感器 温湿度传感器 CO 2 浓度传感器 液位传感器 和PH值传感器等 系统可以根据环境变化实时调控 液位高度及营养液浓度等关键参数 系统的硬件结构 如图5 主要涉及上位机 串行通信 A D模块 传感器 及接口等硬件 气雾栽培为间歇循环式喷雾 环境温度及光照强 度对植物影响较大 可以依据这两个参数设计合适的函 数关系来调整喷雾时间及间停时间 则有 t 喷雾时长 t 1 k W w t 2 t 1 9 T 间停时间 T 2 k W w T 2 T 1 10 k G g 11 式中t 喷雾时长 喷雾开启时长 s t 1 气雾阀开启时间 s t 2 气雾阀关闭时间 s W 雾化盘高速旋转做的 功 J w 雾化盘实际转速做的功 J T 间停时间 喷雾停 止时长 s T 1 光灭时间 s T 2 光照时间 s 在气雾栽培模式下 幼苗的养分通过喷雾直接供 给 幼苗成长时每5 min喷雾1次 植物吸收的养分和 水分充足 保证了植株的快速生长 当植物到成熟期 之后以湿度传感器检测到的湿度作为气雾阀的开闭标 准 对于普通植株 湿度范围在30 60 之间 当湿度 低于30 时气雾阀开启 开始喷雾 当湿度高于60 时气雾阀关闭并打开设备 保持空气流通 气雾控制 流程如图6 图6 湿度控制流程图 4 结论 本文以气雾式家庭植物工厂为研究对象 设计了 一款自动化培养装置对光源 二氧化碳和温湿度等参 数进行控制 着重对雾化盘进行了理论分析 计算得 开始 湿度 传感器 30 null RHnull60 RH 30 RH 60 气雾阀门 打开 气雾阀门 关闭 Y N N Y Y 开发研究 50 新疆农机化2024年第2期 图4 样机田间试验 上接第43页 体积 m 3 表1 方捆测量数据 3 3 试验结果与分析 试验前设定方捆长度为1 5 m 设定密度调节油 缸压力为2 MPa 试验过程中通过保持打捆机密度调 节油缸相同压力情况下成型方捆 通过测量方捆的体 积尺寸和重量计算方捆密度 根据试验结果 在方捆长度1 5 m 密度调节油缸 压力2 MPa下 随机抽取5个方捆 实测方捆密度分 别为 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 此外整机在试验过程中压缩机构 工作稳定 性能可靠 方捆成型效果良好 均达到草捆 密度大于150 kg m 3 的技术条件 可以满足作业要求 4 结论 1 文中设计了一种六道捆绳打捆机压缩机构 确定了压缩机构的有效行程为740 mm 偏心距85 mm 极为夹角3 并根据参数之间的几何关系计算出 曲柄长度和连杆长度分别为368 mm和1 156 mm 2 田间试验结果表明整机试验过程中压缩机构 工作稳定 性能可靠 能实现物料连续压缩成型打捆 作业 成型方捆密度为170 190 kg m 3 优于评价要求 满足打捆收获作业要求 参考文献 1 朱奕庚 姚林晓 古冬冬 等 国内外秸秆打捆机械研究现 状与展望 J 农机使用与维修 2023 2 31 34 2 刘德 国产大方草捆打捆机进口替代破局思考 J 农业机械 2023 1 52 55 3 刘祥鹏 孙传祝 姜常尊 等 小型方草捆打捆机压缩机构 设计 J 农机化研究 2012 34 12 76 79 4 王刚 宋德庆 薛忠 等 小型甘蔗叶方捆打捆机压缩机构的 设计与分析 J 广东农业科学 2013 40 21 182 185 5 中国农业机械化科学研究院 农业机械设计手册 M 北京 中国农业科学技术出版社 2007 6 GB T 25423 2023 方草捆打捆机 S 实际方捆质量 kg 291 3 302 5 285 9 293 6 298 1 序号 1 2 3 4 5 实际方捆尺寸 长null宽null高 m 1 45null1 21null0 95 1 51null1 19null0 91 1 47null1 25null0 86 1 43null1 22null0 97 1 53null1 15null0 92 出转速 角度 流量和压力等数值 通过理论计算得到 泵在喷雾时供水压力为0 355 MPa 流量为2 277 L min 液滴从雾化盘边缘抛出的初速度可近似为雾化盘 的切向速度100 r min时喷雾的利用率最高 参考文献 1 张瑞洁 贺忠群 刘雨杭 等 植物工厂中光强对番杏生长发 育及品质的影响 J 西北农业学报 2022 31 7 886 892 2 刘红强 郭三红 上海地区日光利用型植物工厂周年生产水 培生菜品种筛选 J 安徽农业科学 2022 50 1 210 212 3 于畅畅 高振铭 徐丽明 等 植物工厂立体栽培系统多功能作 业平台优化与试验 J 农业工程学报 2022 38 1 266 275 4 方慧 伍纲 程瑞锋 等 基于CFD的植物工厂冠层微环境管 道通风效果模拟 J 农业工程学报 2021 37 22 188 193 5 洪培瑶 林斯乐 张腾敏 等 植物工厂培养架系统设计 J 福 建电脑 2021 37 10 86 89 6 郭世荣 无土栽培 M 北京 中国农业出版社 2003 7 杨学坤 郑士朝 气雾栽培式家庭植物工厂设计 J 中国农机 化学报 2022 43 4 38 45 8 李宗耕 杨其长 沙德剑 等 植物工厂水培叶菜生产全程机 械化研究进展 J 中国农业大学学报 2022 27 5 12 21 9 李芮 李建设 高艳明 等 农用硒肥对采后植物工厂水培生 菜品质的影响 J 江苏农业科学 2021 49 20 159 165 10 路军灵 仝宇欣 李扬眉 等 根际通电栽培对植物工厂生菜 生长及叶烧病发生的影响 J 中国农业大学学报 2021 26 8 173 181 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 开发研究 51