Эффективная система охлаждения питательного раствора в гидропонных технологиях тепличных хозяйств

Полный текст

Температура питательного раствора играет важнейшую роль в успешном выращивании растений. Имеется два существенных фактора, которые зависят от температуры раствора –растворимость кислорода в воде и потребность растений в кислороде. Чем выше температура раствора, тем меньше кислорода в растворе. При росте температуры от 0 до 30°С вода теряет примерно половину своего кислорода. В чистой воде при 20°С содержится около 9.5 мг/л растворенного кислорода. При 30°С содержание кислорода падает до 7.6 мг/л. Но эти значения справедливы только для чистой воды. Повышение температуры питательного раствора приводит к усилению метаболизма растений. Вследствие этого повышается потребность в кислороде в корневой зоне. Растения в грунте смыкают свои устьица, чтобы экономить воду, когда температура чересчур повышается (более 30℃). В гидропонике растения могут расти и при более высоких температурах. Но это возможно только при хорошей циркуляции воды, что обеспечивает высокий уровень кислорода [1-4].

Нормальным интервалом принято считать температуру раствора от 18°С до 24°С. В тепличных хозяйствах с гидропонными технологиями, например, в Индии дневная температура достигает 35-40°С, что замедляет рост растений, а после цветения не появляются плоды. Кроме того, в теплицах используется метод «питательной пленки» NFT (Nutrient Film Technique). Этот метод подходит для культур с меньшим потреблением воды, таких как руккола, салат, а также для выращивания томатов с высокими требованиями [5].

Для южных областей России и республик Средней Азии при выращивании овощных культур в теплицах требуется поддержание таких же температурно-влажностных режимов [6]. В работе [3] подробно рассмотрены проблемы климат-контроля и различные системы охлаждения в теплицах, которые одинаковы как для теплиц с грунтом, так и с гидропонными технологиями. Процесс охлаждения разделяют на две основные категории: «пассивные» и «активные» системы. «Пассивное» охлаждение в теплице относится к конструктивному подходу (форма, материалы укрытия, проемы, ночное охлаждения почвы или питательного раствора). При этом снижение температуры внутри теплицы происходит без дополнительной подачи воды или электрической энергии. «Активное» охлаждение относится ко всем системам охлаждения, в которых используется электрическое оборудование, такое как насосы, вентиляторы, холодильные машины и тепловые насосы. Интеграция методов пассивного охлаждения с последующим активным охлаждением может одновременно обеспечить адекватные условия для роста сельскохозяйственных культур и снижение электропотребления [3].

Компрессорные холодильные машины и тепловые насосы используют для охлаждения и нагрева в тепличных хозяйствах. Большинство исследований сходятся во мнении, что с такими машинами можно эффективно контролировать температуру, влажность и выбросы СО₂. Но потребление энергии очень интенсивное и неэкономичное.

Абсорбционные холодильные машины и тепловые насосы широко используются в промышленности и строительстве, но очень мало проведено исследований по интеграции указанных машин для охлаждения теплиц и питательного раствора в гидропонных теплицах. В работе [7] использовали бромисто-литевую абсорбционную холодильную машину для охлаждения воздуха в теплице. Была достигнута существенная экономия электрической энергии. Проведено несколько экспериментальных и численных исследований использования солнечной энергии для работы абсорбционных машин [8-10]. Бромисто-литевые, а также водо-аммиачные абсорбционные холодильные машины требуют для своей работы горячий источник тепла высокого потенциала порядка 110-130℃. Получить такую температуру с помощью солнечных тепловых панелей сложно и дорого.

Компания "3R-Technology" (https://www.3r-t.com, Израиль) продолжительное время занимается продвижением на рынки сорбционных холодильных машин (абсорбционные – АбХМ и адсорбционные – АдХМ). Отличительной особенностью этих аппаратов является применение в предлагаемых сорбционных машинах в качестве холодильного агента метилового спирта (метанола). Использование метанола позволяет снизить температуру греющего теплоносителя до 60-65°С. Это дает возможность использовать для работы сорбционных холодильных машин обычные солнечные подогреватели или любые вторичные тепловые источники низкого потенциала (60-75°С). Для сельского хозяйства, особенно для тепличных хозяйств, сорбционные машины вполне доступны, дают большую экономию электроэнергии, просты и дешевы в эксплуатации.

Для тепличных хозяйств, в которых требуется постоянная работа системы охлаждения (нагрева) целесообразно применять абсорбционные холодильные машины. В хозяйствах, в которых охлаждение требуется только в дневное время или необходимо периодически прекращать процесс охлаждения, наиболее целесообразно использовать адсорбционные холодильные машины.

Адсорбционные холодильные машины имеют ряд преимуществ перед абсорбционными. В АдХМ отсутствует циркуляционный насос, и нет каких-либо механизмов (самодействующие клапаны обратного действия открываются при минимальной разности давлений, а закрываются простой пружиной), работают без остановки 20-25 лет.

Применение в АдХМ более стойкого адсорбента, например, упрочненного активированного угля, а в качестве холодильного агента – метанола, позволяет увеличить производительность машины в два раза (при одинаковых габаритах адсорберов) и получать температуру кипения в испарителе порядка –5°С…–2°С. Вакуум в аппаратах адсорбционной холодильной машине не ниже 35-40 мм рт. ст. Это позволяет не увеличивать толщины стенок аппаратов, а обходиться установкой укрепляющих бандажей.

Компанией "3R-Technology" разработана и успешно продвигается эффективная система охлаждения питательного раствора для сельскохозяйственных теплиц с гидропонными технологиями с использованием сорбционных холодильных машин. На разработанную систему охлаждения питательного раствора получен патент Российской Федерации [11].

На рис. 1 представлена принципиальная технологическая схема системы охлаждения гидропонного раствора с применением адсорбционной холодильной машины (АдХМ).

Система состоит из нескольких блоков: (A, B, C, D, E). Блок (А) предназначен для подготовки греющего теплоносителя для адсорбционной холодильной машины (7). Блок (А) состоит из дизель-генератора (1) теплообменника типа газ-жидкость (2), бака (3) со змеевиком (6) для подготовки греющего теплоносителя, циркуляционного насоса (4) и насоса (5), предназначенного для подачи горячего теплоносителя в адсорберы (Ad_a) и (Ad_b) холодильной машины (7).

Блок (В) представляет собой адсорбционную холодильную машину (7). Кроме холодильной машины (7) в блок (В) включены: ресивер (9) с насосом (10), первичный теплообменник (11) с насосом (12) и вторичный теплообменник (13), а также вентиляторная градирня (15). Вторичный теплообменник (13) воздушного охлаждения, в котором охлаждают воду, отводимую из адсорбера по окончанию процесса адсорбции паров холодильного агента. Теплообменник (13) предназначен для дополнительного охлаждения воды, которая периодически подается в адсорберы (Ad_a) и (Ad_b) в процессе адсорбции паров холодильного агента.

Блок (С) состоит из охладителя гидропонного раствора (18), внутри которого размещено несколько секций охладительных батарей (19). Охлажденный в испарителе (Еv) холодоноситель, подают в батареи (19), а затем возвращают в испаритель через ресивер (9). Циркуляция холодоносителя осуществляется насосом (10).

Блок (D) – это гидропонная установка, которая содержит лотки (20) для выращивания растений и напорный бак (21). Лотки (20) трубопроводом (С₁₈) соединены с напорным баком (21). Дозированную подачу питательного раствора в лотки (20) осуществляют, например, с помощью эрлифтов (22). Охлажденный питательный раствор из напорного бака (21) по трубопроводу (С₁₈) поступает в гидропонные лотки (20). Из лотков раствор через коллекторы (23) по трубопроводу (С₁₉) насосом (24) подают в фильтровальную установку блока (Е).

Блок (E) – это фильтровальная установка, состоящая, например, из мульти гидроциклона (25), отстойника (26) и сборника шлама (27). Отделенный в гидроциклонах осадок поступает в отстойник (26). Шлам отводят в бочку (27), а чистый раствор сливают в охладитель (18).

На рис. 2, 2а, 2b приведена принципиальная конструктивная схема усовершенствованной АдХМ. Холодильная машина содержит: адсорберы (Ad_a) и (Ad_b), конденсатор (Cd) и испаритель (Ev). Конденсатор соединен с испарителем сифоном (8). Холодильным агентом в данной машине является метиловый спирт (метанол). Для обеспечения непрерывной работы холодильной машины в ней установлено два адсорбера. Это сглаживает цикличность работы адсорбера (цикл адсорбции паров холодильного агента адсорбентом и цикл десорбции паров из адсорбента). Каждый адсорбер представляет собой герметичный коробчатый корпус (2.1), в котором размещен одноходовой теплообменник (2.2). Теплообменник помещен в патрон (2.3), выполненный из сетчатого материала, например, сетка из нержавеющей стали. В межтрубное пространство теплообменника (2.2) засыпают адсорбент (2.4). В качестве адсорбента используют гранулированный или упрочненный активированный уголь, или сорбент на основе активированного волокнистого угольного материала (Бусофит). На рис. 2а и 2b показано поперечное сечение адсорбера (Ad_b) для холодильной машины с засыпным адсорбентом.

Имеется вариант конструктивного исполнения адсорбера - это нанесение адсорбента непосредственно на поверхность теплообменных трубок. Адсорберы снабжены патрубками (2.5a, b) и (2.6a, b) для подсоединения 3-х ходовых вентилей (3Т₁, 3Т₂, 3Т₃ и 3Т₄). Адсорберы (Ad_a) и (Ad_b) разделены теплоизолированной перегородкой (2.7). Адсорберы снабжены паровыми патрубками (2.8а, b) и (2.9а, b), к которым подсоединены самодействующие обратные клапана (2.10а, b) и (2.11а, b).

Конденсатор (Cd) холодильной машины имеет прямоугольную форму и представляет собой теплообменник с плавающей трубной решеткой. Под трубным пучком установлен сливной поддон (2.12), по которому конденсат холодильного агента поступает в горло (2.13) сифона (8).

Испаритель (Ev) предназначен для охлаждения холодоносителя, например, 30% раствора этиленгликоля. Также в качестве холодоносителя можно использовать водные растворы хлористого натрия или хлористого кальция. Испаритель – затопленного типа, так как трубный пучок расположен в жидком холодильном агенте нижней части прямоугольного корпуса (2.14). Верхний ряд трубного пучка находится в паровом пространстве аппарата. Охлаждение холодоносителя происходит в трубках при кипении холодильного агента на их поверхности. Теплообменные трубки трубного пучка имеют накатные ребра, которые обеспечивают повышение коэффициента теплоотдачи при кипении холодильного агента. В торцевой стенке корпуса (2.14) закреплен дросселирующий вентиль (EV), через который холодильный агент поступает из конденсатора (Cd) в испаритель. Днище (2.15) испарителя выполнено с небольшим уклоном в сторону сливного штуцера (2.16). Так как данная холодильная машина предназначена для получения отрицательных температур, то корпус испарителя и адсорберы снабжены тепловой изоляцией (2.17). К корпусу (2.14) крепится опорная рама (на конструктивной схеме не показана), которая установлена на опорах (2.18).

Для охлаждения питательного раствора в гидропонных технологиях применяют различного типа охладители воды – чиллеры. В чиллерах используют фреоновые холодильные машины с установленной мощностью электрических двигателей 0.25 кВт для охладителя на 100 литров в час и 3.5 кВт – для охладителя в 2000 литров в час. Указанные охладители снабжены компрессорной холодильной машиной и ванной для охлаждения гидропонного раствора. В ванну помещен змеевик, по которому прокачивают или холодильный агент или холодоноситель [12].

В гидропонных теплицах, базирующихся в жарких и сухих климатических условиях, используют охладители фирм: Carrier (USA), E2PS-GmbH (Germany), DEGA SPA (Italia) [13]. Указанные компании поставляют компрессорные тепловые насосы, которые охлаждают питательный раствор в емкостях или ваннах.

Компания TAICH (China) изготавливает промышленные охладители воды и растворов с винтовыми компрессорами. При охлаждении чистой воды, когда скорости охлаждаемой жидкости и холодоносителя соизмеримы и находятся в пределах энергетической эффективности, указанные охладители достаточно эффективны. При охлаждении гидропонных растворов, у которых расход небольшой и очень низкая скорость течения, все применяемые охладители имеют низкий КПД. Кроме того, на снижение интенсивности охлаждения влияют отложения органических и неорганических частиц на поверхности теплообмена охладительных батарей. В разработанной системе охлаждения раствора предусмотрена установка фильтрации раствора перед подачей его в охладитель.

В нашем проекте разработаны охладители питательного раствора для теплиц с различной производительностью. Основное внимание было уделено интенсификации теплообмена при охлаждении. На рис. 3 приведена конструкция охладителя, в котором применена рециркуляция раствора с помощью насоса и струйного коллектора, размещенного в центральной части аппарата. Данная конструкция применена в технологической схеме, показанной на рис.1. Для другой теплицы использовали охладитель раствора с перемешивающим устройством винтового типа с диффузорной насадкой (рис. 4). В этой конструкции охладителя раствор перемешивается и перемещается от входа к разделительной стенке. В обеих конструкциях коэффициент теплопередачи был в 2.5-3.0 раза выше, чем в традиционно применяемых охладителях. В конструкциях предлагаемых охладителей предусмотрены желоба (3.5) с крышками (3.6), которые предназначены для улавливания частиц грязи из охлаждаемого раствора. Желоба (3.5) установлены в днище (3.4) корпуса (3.1) охладителя. К желобам (3.5) подсоединен трубопровод (С₂₁) для подвода промывочной воды и трубопровод (С₂₂) для отвода грязевой смеси.

Разработана инновационная конструкция охладителя питательного раствора. Подробно конструкция этого охладителя изложена в работе [14]. На рис. 5, 5а приведена конструктивная схема нового охладителя питательного раствора. В предлагаемой конструкции охладителя раствора использована двухкорпусная компоновка аппарата, а в качестве теплопередающих элементов использованы тепловые трубки (НР – heat pipe) или замкнутые двухфазные термосифоны (CTFT – closed two-phase thermosiphon) с промежуточным теплоносителем. Внутренний аппарат имеет квадратную форму, что позволяет разместить в стенках максимально возможное количество теплопередающих элементов. Наружный аппарат имеет в плане форму шестигранника (рис. 5а). Тепловые трубки размещены в стенках внутреннего аппарата. Теплый питательный раствор подают в полость внутреннего аппарата через отверстия в верхней крышке. Так как скорость подачи раствора во внутренний аппарат очень низкая и не превышает 0,125 м/сек, то интенсификацию теплообмена на тепловоспринимающей поверхности тепловых трубок повышают за счет вращения внутреннего аппарата. Это позволяет увеличить коэффициент теплопередачи в 2.5-3.0 раза. Теплоотдающие участки тепловых труб размещены в кольцевом пространстве, которое находится между стенками внутреннего и наружного аппарата. Теплоотводящие участки омываются потоком холодоносителя с температурой +2°C или ‒2°C. Температура теплоносителя на входе в кольцевое пространство зависит от требуемого интервала охлаждения. Для предотвращения попадания холодоносителя в питательный раствор на крышках внутреннего аппарата и на сопряженной поверхности кольцевых фланцев наружного аппарата установлены лабиринтные уплотнения. В нижнем фланце внутреннего аппарата закреплен пустотелый вал, через который охлажденный раствор сливают в отстойник. Применение элементов со сверхвысокой теплопроводностью позволило уменьшить габариты и снизить вес охладителя в несколько раз, по сравнению с известными конструкциями охладителей. Учитывая, что рабочие давления циркулирующего охлаждаемого раствора и холодоносителя близки к атмосферному давлению, то аппараты можно изготавливать из пластических материалов. Такой вариант дополнительно снижает вес конструкции охладителей и их изготовление значительно дешевле.

Выводы:

1. Разработана высокоэффективная система охлаждения раствора в гидропонных технологиях на базе использования холодильной машины адсорбционного типа, в которых холодильным агентом является метиловый спирт;
2. В конструкции охладителя раствора предусмотрена рециркуляция раствора или его перемешивание винтовой мешалкой, что значительно увеличивает коэффициент теплопередачи при охлаждении раствора;
3. Применение в охладителе гидропонного раствора тепловых трубок позволяет увеличить количество передаваемого тепла в десятки раз;
4. Надежность и работоспособность такого аппарата на тепловых трубках, как минимум в 2 раза выше любого известного теплообменного аппарата.

Рис. 1. Принципиальная технологическая схема охлаждения питательного раствора. Спецификация трубопроводов на схеме:

Горячая вода С₁ – С₄; Холодоноситель С₅ – С₈; Вода холодная С₉ – С₁₄; С₁₅ – С₁₆; Питательный раствор С₁₇ – С₁₈.

Насосы водяные: 4. 5, 12, 16. Питательный раствор: 24, 28. Холодоноситель: 9

Рис. 2, 2а, 2b. Адсорбционная холодильная машина нового поколения

Обозначения – в тексте

Рис. 3. Охладитель питательного раствора с рециркуляцией охлаждаемого раствора.

19 – Секции охладительных батарей; 21– Напорный бак; 29 – Циркуляционный насос;

29 – Трубчатая перегородка; 3.1 – Корпус охладителя; 3.2 – Крышка охладителя;

3.3 – Опоры; 3.4 – Днище; 3.5 – Желоб; 3.6 – Крышка желоба; 3.7 – Патрубок подачи холодоносителя; 3.8 – Патрубок отвода холодоносителя; 3.9 – Патрубок подключения циркуляционного насоса; 3.10 – Сопловая гребенка; 3.11, Патрубок подачи раствора в сопловую гребенку; 3.12, 3.13 – Патрубки подачи раствора на охлаждение;

3.14 – Самодействующие заслонки; 3.15 – Переливная труба; 3.16 - Регулирующий

Рис. 4. Охладитель раствора с перемешивающим устройством винтового типа с диффузорной насадкой.

4.1 – Корпус охладителя; 4.2 – Крышка охладителя; 4.3 – Опоры; 4.4 – Днище; 4.5 – Желоб; 4.6 – Крышка желоба; 4.7 – Перемешивающее устройство; 4.8, 4.9 – Патрубки подачи раствора на охлаждение; 4.10 – Привод перемешивающего устройства.

Рис. 5, 5а. Высоко эффективный охладитель раствора на тепловых трубках.

1 – Наружный аппарат 6-гранной формы; 2 – Внутренний аппарат квадратной формы;

3 – Основание; 4 – Опорный подшипник; 5 – Корпус подшипника; 6 – Опорная плита;

7 – Лабиринтные уплотнения; 8 – Привод для вращения внутреннего аппарата;

9 – Тепловые трубки; 9 – Испарительные участки тепловых трубок; 9 – Конденсаторные участки тепловых трубок.

Об авторах

Илья Наумович Мирмов

Автор, ответственный за переписку.
Email: miily@yandex.ru
Россия

Наум Исакович Мирмов

Email: naumir@yandex.ru

Сергей Александрович Щипцов

Email: pd6@bk.ru

Список литературы

Дополнительные файлы