熱電制冷技術的營養(yǎng)液溫控系統(tǒng)的分析

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】熱電制冷技術的營養(yǎng)液溫控系統(tǒng)的分析引言

植物根際溫度對其水分代謝、礦物質(zhì)吸收、植物激素代謝、生長發(fā)育、光合作用等具有顯著影響，根系對高溫逆境的脅迫表現(xiàn)為敏感，尤其是吸收根。Adams等研究認為，在番茄營養(yǎng)液膜無土栽培中，當根際溫度保持在12~24℃范圍內(nèi)條件下，其植株干質(zhì)量、葉面積和果實產(chǎn)量隨營養(yǎng)液溫度的升高而增加。

目前國內(nèi)主要采用地下水、加冰、電熱管加熱以及加大營養(yǎng)液槽的體積等措施控制營養(yǎng)液的溫度。

夏季，利用地下水降溫雖然能夠有效控制營養(yǎng)液的溫度，但對地下水浪費嚴重，且受地理環(huán)境因素的制約；采用加冰的方法即不易于實現(xiàn)對營養(yǎng)液溫度的控制，也易對周邊環(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的要求，但加熱一段時間后，加熱棒表面出現(xiàn)Cat+,Mgt+離子的結垢，勢必引起營養(yǎng)液成分的變化川。研究一種節(jié)能、高效的營養(yǎng)液溫度控制系統(tǒng)具有現(xiàn)實意義。

熱電制冷技術已經(jīng)廣泛地應用于醫(yī)療、航空航天、潛艇、船舶、家電等多個領域，但在農(nóng)業(yè)生物環(huán)境控制領域的應用很少。筆者針對單株番茄樹特種栽培營養(yǎng)液溫度控制中存在的問題，研究開發(fā)了一套熱電制冷溫控系統(tǒng)，以解決植物栽培中營養(yǎng)液夏季降溫和冬季加溫的問題。

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型半導體元件連接而成的熱電偶對。如圖1所示，當熱電偶對中通以電流后，電子和空穴分別從金屬片3流入N和P型半導體，產(chǎn)生電子一空穴對時吸收的熱量大于通過金屬片3時產(chǎn)生的熱量，使金屬片3與P和N型半導體結合處的溫度降低，電絕緣層1成為冷端，物體2被冷卻。當電子和空穴從N和P型半導體流入金屬片5時，電子和空穴結合放出的熱量大于帶走的熱量，使金屬片5和P,N型半導體的結合處的溫度升高，電絕緣層6成為熱端，物體8被加熱。所以熱電偶對在冷端吸收周圍介質(zhì)的熱量，實現(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。實際使用時通常把幾個或上百個熱電偶對連接在一起，并加工成片狀，稱為熱電制冷器或熱電制冷片。

2試驗材料及方法

2.1溫室

試驗溫室為中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院樓頂玻璃溫室。南北跨度7.3m，東西長度23.2m;溫室覆蓋材料為雙層玻璃；頂部設置天窗自然通風；溫室內(nèi)設置內(nèi)保溫幕，外置遮陽幕；南面安裝風機，北面安裝濕簾，用于夏季溫室降溫。

圖2為溫室橫向剖面圖。

2.2熱電溫控系統(tǒng)

熱電制冷設備構造設備采用對稱構造（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x寬x高）的橡膠墊3內(nèi)加工出5個平行排列（間距10mm）并相互導通的矩形槽（280mmx44mmx6mm），主要起導流作用。

熱電制冷片采用***建華熱電制冷集團公司生產(chǎn)的TEC-12706熱電制冷片，共26片。其工作電流6A，電壓15.4V，制冷量51.4W，溫差67℃。根據(jù)王錦俠等的研究結果，確定設計參數(shù)為：制冷器熱端溫度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，溫差越大制冷量越小，制冷系數(shù)越低。對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鍵。由于控制對象為營養(yǎng)液，其水冷換熱系數(shù)高，換熱效果好，故采用水冷方式開展散熱。

電源當直流電源的穩(wěn)波系數(shù)小于10%時，熱電制冷片的制冷性能較好。根據(jù)需要自制了1臺電源，其交流輸入電壓（AC）220V，直流輸出電壓（DC）12V，電流300Ao測試儀器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)電子公司生產(chǎn)，其測量精度為士0.050C;ST5124環(huán)境溫度控制器，美國Aerotech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、直流電壓表、電流表等。

2.3試驗目的及方法

目的測試熱電溫控系統(tǒng)的制冷系數(shù)以及水流量對制冷系數(shù)的影響；試驗驗證熱電溫控系統(tǒng)的實際運行效果。

制冷系數(shù)的測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量制冷水溫度的變化。按式（1）計算制冷系數(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結束時的溫度，℃；W為耗電量，J;。為水的比熱容（假設為常數(shù)）。

試驗設計試驗采用2因素3水平的3X3正交試驗設計方法，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個散熱水箱（分別為進水箱和回水箱）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30min。試驗原理見圖4營養(yǎng)液溫度控制試驗營養(yǎng)液無土栽培系統(tǒng)主要由水泵、營養(yǎng)液槽、栽培槽、閥門、熱電溫控系統(tǒng)，以及循環(huán)管道等組成（圖5）。試驗中共采用2套營養(yǎng)液無土栽培系統(tǒng)，其中1套系統(tǒng)采用熱電溫控系統(tǒng)控制營養(yǎng)液溫度，另外1套不采取任何溫度控制措施，營養(yǎng)液配方相同。

3試驗結果及分析

3.1制冷系數(shù)

在所試驗的流量范圍內(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。

當散熱水流量從4.5Lmin增加到5.8Lmin時，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，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。當散熱水與制冷水水泵流量分別為7.1Lmin和11.2Lmin時，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)濟性考慮，沒有必要繼續(xù)增加流量以提高該系統(tǒng)的制冷系數(shù)。

3.2營養(yǎng)液溫度控制結果

不同溫控措施下營養(yǎng)液溫度變化及環(huán)境溫度的變化曲線見圖7。在溫室內(nèi)環(huán)境溫度高達35℃的情況下，利用熱電溫控系統(tǒng)成功地把營養(yǎng)液溫度控制在21-23℃溫度范圍內(nèi)；當溫室環(huán)境溫度低于14℃時，營養(yǎng)液溫度可控制在19.5-20.5`C溫度范圍內(nèi)，滿足番茄根際生長的需要。沒有采取溫控措施的營養(yǎng)液溫度高溫達40°C，低溫低于160C，根系出現(xiàn)腐爛，影響番茄的正常生長。20**-10-15采收成熟的番茄，沒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結語

本文所設計的熱電溫控系統(tǒng)實現(xiàn)了對營養(yǎng)液溫度的合理控制，滿足番