蠶種催青室溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用試驗(yàn)

蘭自勉 潘慶流

(1廣西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西河池 547000;2宜州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，廣西宜州 546300)

蠶卵從出庫到孵化的過程，需要在適當(dāng)?shù)臏囟?、濕度和光線的環(huán)境條件下進(jìn)行保護(hù)，讓蠶卵的胚胎發(fā)育整齊，體質(zhì)健康強(qiáng)壯，確保能在預(yù)定的日期孵化整齊。在室溫低于20 ℃的情況下，傳統(tǒng)的做法是用木碳或者電爐加溫，然后在上面煮一鍋水補(bǔ)充濕度，需要配備人員24 h值班看守，操作很不方便，稍不注意就容易出現(xiàn)局部溫度過高或太過干燥的情況，造成蠶卵死亡。而目前最先進(jìn)的加溫加濕設(shè)備——南京士爵電子科技有限公司(原名南京南大明學(xué)科技有限公司)開發(fā)的蠶種催青計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)［1］，雖然能達(dá)到良好的溫濕度控制效果，但整個(gè)系統(tǒng)造價(jià)很高，不容易普及推廣。為適應(yīng)廣西地區(qū)廣大小蠶共育戶蠶種催青的溫濕度自動(dòng)控制，讓蠶卵孵化齊一，為飼育出優(yōu)質(zhì)的小蠶打好基礎(chǔ)，我們從2009 年開始研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制作的蠶種催青室溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)把加溫和加濕分開來設(shè)計(jì)，加熱元件沿四周墻面均勻布置，使溫度變化均勻;由風(fēng)扇把水霧通過導(dǎo)管從空中分多個(gè)出口往下吹送，使?jié)穸确植季鶆?可根據(jù)不同的催青室面積大小和隔熱條件不同，隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整安裝，溫濕度能控制在一定的范圍之內(nèi)，使室內(nèi)溫濕度保持相對(duì)穩(wěn)定而均勻，便于蠶卵胚胎順利發(fā)育。我們現(xiàn)將該溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作原理、使用方法等介紹如下，供同仁參考。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

該溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由濕度傳感器、溫度傳感器、溫濕度控制器、接觸器、加溫系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)6 個(gè)部分組成，如圖1 所示。

圖1 溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)電源接通的時(shí)候，加溫系統(tǒng)和加濕系統(tǒng)開始工作，室內(nèi)溫度和濕度上升，達(dá)到所設(shè)定的溫度和相對(duì)濕度的上限值時(shí)，溫度傳感器和濕度傳感器反饋到溫濕度控制器，斷開加溫系統(tǒng)和加濕系統(tǒng)的電源，這時(shí)溫度和相對(duì)濕度會(huì)下降，當(dāng)溫度和相對(duì)濕度下降到所設(shè)定的下限值時(shí)，溫濕度控制器再接通加溫和加濕系統(tǒng)的電源，使加溫和加濕系統(tǒng)工作。經(jīng)過這樣反復(fù)地接通和斷開加溫和加濕系統(tǒng)的電源，使溫濕度趨于某個(gè)設(shè)定的值，從而達(dá)到自動(dòng)控制溫濕度的目的。

由于常用溫濕度控制器輸出的加熱觸點(diǎn)容量為5～20 A 220 V 交流電源，而加熱系統(tǒng)的功率根據(jù)房間的大小來決定，通常1 間40 m2的房間要用700 m的地?zé)峋€，功率約為7 kW，因此溫濕度控制器的輸出功率不能滿足需要，設(shè)計(jì)的時(shí)候需加接1 個(gè)50 A 的接觸器，單獨(dú)用于控制加溫系統(tǒng)電源的接通和斷開。

2 加溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

加溫系統(tǒng)的發(fā)熱部分主要是地?zé)峋€，用網(wǎng)線釘把地?zé)峋€固定在墻面上，每根地?zé)峋€長(zhǎng)100 m，功率為1 kW，并聯(lián)連接，地?zé)峋€離地面約50 mm，高度約1 800 mm，地?zé)峋€之間寬約50 mm，盡量均勻分布，避免交錯(cuò)和打結(jié)(圖2)。

圖2 地?zé)峋€分布圖

3 加濕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

加濕系統(tǒng)主要由水槽、超聲波霧化器、浮塊、風(fēng)扇、導(dǎo)霧管和電源6 個(gè)部分組成。當(dāng)電源接通時(shí)，超聲波霧化器開始工作，把水霧化，同時(shí)由風(fēng)扇把水霧經(jīng)導(dǎo)管吹出，給整個(gè)空間補(bǔ)充濕度，如圖3 所示。

圖3 加濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

水槽:選用聚丙烯塑料來制作，尺寸為長(zhǎng)500 mm、寬370 mm、高300 mm，在蓋上設(shè)計(jì)有不同大小的通孔，用于安裝導(dǎo)霧管、注水管和風(fēng)扇。

導(dǎo)霧管:選用公稱直徑φ 為40 mm 的PVC 排水管來做，并用帶螺紋的接頭把導(dǎo)霧管固定在水槽蓋上，導(dǎo)霧管盡量足夠長(zhǎng)，讓水霧從高處飄散而下，從而使室內(nèi)的相對(duì)濕度達(dá)到穩(wěn)定而均勻。

霧化器:選用有10 個(gè)霧化頭的大霧化量超聲波霧化器，把霧化器固定在2 塊泡沫浮塊上，通過調(diào)整，使霧化器水位感應(yīng)開關(guān)處在離水面以下10 mm左右的位置，達(dá)到最佳的霧化效果。

風(fēng)扇:選用12 W 的排氣扇，接220 V 交流電源，風(fēng)口直徑為100 mm，風(fēng)量為40 m3/h，可以把被霧化的水霧從導(dǎo)霧管口迅速排出。

電源:選用300 W 的環(huán)型變壓器+1 塊全橋整流電路組成，輸出電壓為50 V 直流電源。

4 參數(shù)的計(jì)算和選擇

4.1 地?zé)峋€的計(jì)算和選擇

以40 m2的房間為例，房間內(nèi)空間的體積約為110 m3，蠶桑生產(chǎn)通常4 月份開始，當(dāng)時(shí)廣西地區(qū)的平均室溫約為12 ℃，蠶卵正常發(fā)育所需要的溫度為26 ℃，要求10 min 使室內(nèi)的溫度升到26 ℃，并能保持這個(gè)工作溫度的相對(duì)恒定，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從3 個(gè)方面去考慮。一是加熱室內(nèi)空氣到26 ℃所需的電功率;二是保持室內(nèi)26 ℃所需的電功率;三是考慮房屋建筑結(jié)構(gòu)、傳熱和通風(fēng)等因素的影響。

4.1.1 加熱催青室空氣所需電功率的計(jì)算 根據(jù)熱學(xué)公式Q=cm(t2－t1)，其中Q—吸收或放出的熱量，單位為kJ;c—空氣的定壓比熱容，單位為kJ/(kg·K);m—空氣的質(zhì)量，單位為kg;t2—末溫度，t1—初始溫度，單位均為℃。

因?yàn)椋瑯?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干空氣的定壓比熱容為C=1.005 6 kJ/(kg·K)［2］;1 m3的空氣質(zhì)量為1.29 kg，房間的體積為110 m3，則房間內(nèi)空氣的質(zhì)量m=1.29×110 kg=141.9 kg;且t2=26 ℃，t1=12 ℃。所以Q=1.005 6×141.9×(26－12)kJ=1 997.73 kJ。

假設(shè)電流所做的功全部用于發(fā)熱，則根據(jù)Q=W=Pt得:電功率P=W/t=1 997.73 ÷600 kW=3.33 kW。

4.1.2 保持催青室內(nèi)溫度所需電功率的估算 根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量公式:Qj=KF(tn－tm)α［2］，其中，Qt—基本耗熱量，單位為W;K—傳熱系數(shù)，單位為W/m2·℃;F—傳熱面積，單位為m2;tn—冬季室內(nèi)溫度，tw—供暖室外溫度，單位均為℃;α—圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫差修正系數(shù)。

催青室的傳熱面積包括地板面、天花板面、前后墻面和左右墻面。催青室內(nèi)長(zhǎng)為8 m、寬為5 m、高為2.75 m，因此，其傳熱面積F=8×5×2+8×2.75×2+5×2.75×2 m2=151.5 m2。根據(jù)測(cè)量得當(dāng)時(shí)的室內(nèi)平均溫度約為12 ℃，室內(nèi)和室外的溫差約為2 ℃，計(jì)算時(shí)室外溫度取10 ℃。

查文獻(xiàn)［2］傳熱系數(shù)表K=1.885 W/m2·℃;催青室傳熱面積F=151.5 m2;tn=26 ℃，tw=10 ℃;圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫差修正系數(shù)參照文獻(xiàn)［3］表4.1.8－1，取α=1。所以Qj=1.885×151.5×(26－10)×1 W=4 569.24 W≈4.6 kW。

4.1.3 地?zé)峋€數(shù)量及規(guī)格的確定 以上加熱催青室空氣所需電功率的計(jì)算，是在一種理想狀態(tài)下所計(jì)算得的理論值，保持催青室內(nèi)溫度所需電功率的估算，也是忽略了影響基本耗熱量的諸多因素而得出的估算值。在催青室的實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，地?zé)峋€功率的選擇要以這2 個(gè)數(shù)值為參考依據(jù)，還要考慮到當(dāng)加溫加濕系統(tǒng)正常工作時(shí)，室內(nèi)還掛滿蠶卵，每天人員進(jìn)出調(diào)位和觀察多次，還保證每天有3 次的通風(fēng)換氣，熱量散失較大;另外，還要考慮到門窗的傳熱等因素。由于測(cè)得夜間溫度要比平均溫度低2～4 ℃，當(dāng)催青工作一開始，就必須保持催青室內(nèi)的溫度相對(duì)穩(wěn)定。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，1 間40 m2的催青室需要設(shè)置功率為7 kW 的地?zé)峋€才能滿足設(shè)計(jì)的要求。地?zé)峋€的品種和規(guī)格很多，出于經(jīng)濟(jì)和實(shí)用性方面考慮，選擇地?zé)峋€規(guī)格為外徑2 mm、金屬發(fā)熱絲直徑0.65 mm、線長(zhǎng)100 m、功率1 kW。所以，1 間40 m2的催青室需要布置7 條地?zé)峋€。

4.2 霧化器的選擇

蠶種催青階段所需的相對(duì)濕度在75%～85%之間，由于每天要求用消毒液對(duì)地面進(jìn)行消毒，補(bǔ)充了部分濕度，再加上四周墻面和天花板都貼塑料薄膜保濕，因此40 m2的房間用1 個(gè)10 頭大霧量的霧化器便可滿足加濕的需要。選用的霧化器規(guī)格為，直流電源:48 V 250 W;頻率:1 700 kHz;工作水位:30～50 mm;工作溫度:0～45 ℃;霧化量:3 000～5 000 mL/h。

5 溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)的使用方法

首先把水槽里的水注到最高水位，然后接通電源，加溫和加濕系統(tǒng)開始工作，設(shè)置好工作溫度和相對(duì)濕度的上限值和下限值，修正誤差值等。當(dāng)室內(nèi)的溫濕度超過上限值或者是低于下限值時(shí)，在控制系統(tǒng)的作用下自動(dòng)斷開和接通相應(yīng)部分的電源，保證溫度和相對(duì)濕度穩(wěn)定在一定的范圍之內(nèi)。隨著加濕系統(tǒng)水槽內(nèi)的水位降低，浮塊和霧化器會(huì)觸底，此時(shí)如果水面低于霧化器水位感應(yīng)開關(guān)時(shí)，霧化器會(huì)自動(dòng)停止工作，為了避免因水位過低造成中途停止工作，設(shè)計(jì)的水槽最低水位線在觸底時(shí)應(yīng)高于水位感應(yīng)開關(guān)15 mm。當(dāng)水面低于最低水位線時(shí)，應(yīng)及時(shí)向水槽里注水，保證加濕系統(tǒng)能持續(xù)正常工作。

6 溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用試驗(yàn)

6.1 試驗(yàn)方法

2011 年3 月10 日，為驗(yàn)證該溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)的加溫補(bǔ)濕效果，我們?cè)趶V西宜州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所的2 個(gè)蠶種催青室，將該溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)的加溫加濕進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。

試驗(yàn)蠶種樣品:精選1 張廣西蠶業(yè)技術(shù)推廣總站生產(chǎn)的“兩廣二號(hào)”正交蠶種，良卵率達(dá)98%以上，分成8 份，每份約6 409 粒卵。

試驗(yàn)樣品分組:A 組為A1、A2、A3、A4，放在20 m2用木碳加溫煮水補(bǔ)濕的催青室;B 組為B1、B2、B3、B4，放在20 m2用溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)的催青室。

試驗(yàn)樣品放置:2 個(gè)催青室的試驗(yàn)樣品放的位置相同，離地面高度1.5 m。A1、A4和B1、B4掛在離墻面500 mm 的地方，A2、A3和B2、B3掛在共育室的中間位置。

試驗(yàn)室條件:室外平均溫度12 ℃左右，光線均勻，密封良好，有通風(fēng)換氣裝置。

催青試驗(yàn)過程:采用簡(jiǎn)化催青法，即戊3 胚胎前，溫度為20 ℃，相對(duì)濕度為75%;戊3 胚胎后，溫度為26 ℃，相對(duì)濕度為85%［4］。每天通風(fēng)換氣3 次。

6.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表1，從表1 得知，A 催青室中的A1和A4離熱源較遠(yuǎn)，溫濕度相差較大且不穩(wěn)定，因此和A2、A3相比，孵化率低，死卵率高，另外A1和A4由于溫度較低，蠶卵催青積溫不夠是導(dǎo)致孵化率低的一個(gè)主要原因;而B 催青室中的B1、B4和B2、B3比較，雖然位置不同，但溫濕度相差不大，孵化率和死卵率都沒有明顯的差別。從A 催青室和B 催青室8個(gè)樣品整體對(duì)比情況看，A 催青室不同位置的溫濕度相差較大，孵化率低，死卵率高;而B 催青室不同位置溫濕度相差較小，孵化率很高，死卵率很低。由此分析可得出這樣的結(jié)論:采用該溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)可以使催青室保持相對(duì)穩(wěn)定的溫濕度，更有利于蠶卵胚胎順利發(fā)育，達(dá)到預(yù)期孵化齊一的效果。

表1 蠶種催青室溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)的蠶種孵化率情況

7 結(jié)語

該溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、使用方便、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)上把加溫系統(tǒng)和加濕系統(tǒng)分開來考慮分開控制，同時(shí)能滿足溫度和濕度的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，該溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)還可根據(jù)不同的需要進(jìn)行調(diào)整，針對(duì)不同用途稍作修改，便可適用于專業(yè)化蠶種催青、規(guī)?；⌒Q共育、大棚蔬菜、食用菌生產(chǎn)等行業(yè)，具有廣闊的市場(chǎng)前景和推廣應(yīng)用價(jià)值。

［1］王亞琴，吳海榮，黃愛梅，等.自動(dòng)化測(cè)控蠶種催青探討［J］.中國蠶業(yè)，2006，27(4):40－41.

［2］田玉卓.供熱工程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［3］中華人民共和國建設(shè)部.GB50019—2003 采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2003.

［4］浙江農(nóng)業(yè)大學(xué).養(yǎng)蠶學(xué)［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，1999.