溫室專用燃煤熱風(fēng)爐自動(dòng)加煤機(jī)研制＊

王 彥，羅文杰，蘇 劍，劉 濤，齊新洲，張彩虹，王國強(qiáng)（新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，烏魯木齊 830091）

隨著“菜籃子”工程的實(shí)施，日光溫室得到廣泛應(yīng)用，它對豐富老百姓的菜籃子、改善老百姓生活、解決北方冬季吃青菜難問題、繁榮農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)揮著重要的作用。但是在新疆北緯43°以北的大部分地區(qū)，冬春兩季氣溫低，不僅大田無法進(jìn)行生產(chǎn)，就是日光溫室內(nèi)無供暖的情況下，也只能生產(chǎn)耐寒性強(qiáng)的蔬菜[1]。這不僅影響了菜農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益，也增加了消費(fèi)者的負(fù)擔(dān)。因此，為保證北疆地區(qū)冬季新鮮蔬菜供應(yīng)，日光溫室內(nèi)供暖設(shè)施與設(shè)備的研究一直是重要研究內(nèi)容[2]。目前，新疆北部地區(qū)的日光溫室多為土木結(jié)構(gòu)，覆蓋材料簡陋，隔熱防寒、保溫蓄熱、采光通風(fēng)性能均很差。冬季生產(chǎn)中，要確保日光溫室作物的正常生長發(fā)育和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，還需進(jìn)行少量適當(dāng)加溫，實(shí)際上北疆寒冷地區(qū)的一些日光溫室冬季作物生產(chǎn)已經(jīng)應(yīng)用了簡易磚砌爐來給溫室加溫。生產(chǎn)實(shí)踐表明，簡易磚砌爐加溫提高了日光溫室冬季作物的生產(chǎn)效益，但也存在很多問題。簡易磚砌爐由于爐膛較小，燃燒不充分，熱量往往積聚在煙道周圍，熱量不易對流，室內(nèi)溫度不均，熱效率低，而且爐煙污染較嚴(yán)重。目前，日光溫室升溫方式主要有爐火加溫、鍋爐加溫、電加溫及熱風(fēng)爐加溫等[3]。針對新疆北部寒冷地區(qū)日光溫室加溫設(shè)備落后、能耗高、排煙污染嚴(yán)重，市場上出現(xiàn)了多種加溫設(shè)備，從加溫效果和經(jīng)濟(jì)效益綜合來看，燃煤熱風(fēng)爐加溫的效果是日光溫室加溫的最佳形式之一，也是近年來發(fā)展較快的一種加溫形式[4]。

熱風(fēng)爐形式

熱風(fēng)爐是通過燃燒后將空氣加熱，提升空氣溫度，將燃料的熱能輸出到空氣中的環(huán)境加溫設(shè)備，主要由燃燒室和熱交換器構(gòu)成。常見的熱風(fēng)爐主要分為燃煤熱風(fēng)爐、燃油熱風(fēng)爐、燃?xì)鉄犸L(fēng)爐、生物燃料熱風(fēng)爐、電熱風(fēng)爐等[5]。熱風(fēng)爐最主要的部件是換熱器，按照換熱器的結(jié)構(gòu)形式劃分，可分為列管式換熱器和板材排列式換熱器。熱風(fēng)爐的結(jié)構(gòu)形式主要分為兩種，立式熱風(fēng)爐和臥式熱風(fēng)爐。新疆日光溫室冬季越冬生產(chǎn)主要的加溫方式有土制爐加溫、暖氣加溫、熱風(fēng)爐加溫等。與土制爐相比，熱風(fēng)爐加溫節(jié)省能源、熱效率高、操作方便、節(jié)省人力。與前期投入大，安裝復(fù)雜的暖氣相比，熱風(fēng)爐前期投入小，安裝簡便，操作難度小，適合普通農(nóng)戶使用。熱風(fēng)爐加溫有五大優(yōu)勢：①?zèng)]有水循環(huán)系統(tǒng)，主機(jī)產(chǎn)生熱風(fēng)后通過風(fēng)道直接輸送到溫室的各個(gè)角落，不需要水循環(huán)系統(tǒng)，因此就沒有冬天冰凍、水管結(jié)垢以及滲漏等問題；②安裝適應(yīng)性強(qiáng)，主機(jī)采用立式安裝，全部操作在室內(nèi)就可以完成；③節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用，可以按照用戶的個(gè)性化需求進(jìn)行，溫室溫度高低可以自動(dòng)獨(dú)立調(diào)解，在暫時(shí)不需要加熱時(shí)可以關(guān)閉系統(tǒng)，從而節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用；④熱風(fēng)爐為常壓運(yùn)行，安全可靠，采用強(qiáng)制排風(fēng)以及新風(fēng)換氣系統(tǒng)，保證室內(nèi)空氣質(zhì)量；⑤燃料價(jià)格低（相對電加熱方式），熱風(fēng)爐輸出干熱空氣，可將室內(nèi)濕度降低60%～70%，使病菌處在不利于孢子發(fā)芽的濕度下，從而抑制各種病害的發(fā)生和發(fā)展。熱風(fēng)爐的優(yōu)點(diǎn)使其成為溫室供熱設(shè)備的首選，也在日光溫室中越來越廣泛地應(yīng)用。

燃煤熱風(fēng)爐現(xiàn)狀與問題

根據(jù)新疆自然資源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，目前新疆日光溫室加熱設(shè)備主要以燃煤熱風(fēng)爐為主。盡管新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所對燃煤熱風(fēng)爐的研究相對較晚，但起步較高，更新?lián)Q代、發(fā)展的速度很快。目前已經(jīng)研制出了第四代燃煤熱風(fēng)爐，采用立式結(jié)構(gòu)，爐體由鋼板焊接而成，集燃燒與換熱為一體，減少了熱量損失，具有升溫快、節(jié)省燃料、污染小的優(yōu)點(diǎn)，目前已達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平，熱效率達(dá)到65% 以上。以新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的5LDRF-4 型溫室專用燃煤熱風(fēng)爐為例，該款熱風(fēng)爐熱效率高、操作簡單，燃燒充分，每667 m2日光溫室僅需使用一臺(tái)就能使溫度提升5～11℃。同樣以北疆烏魯木齊市周邊日光溫室為例，冬春季加溫時(shí)間長達(dá)4～5 個(gè)月，每667 m2溫室年耗煤量僅10 t 左右，相對于簡易磚砌爐節(jié)省煤20 t，節(jié)省開支4000 元左右，顯著增加了農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)效益，減少了空氣污染。但燃煤熱風(fēng)爐存在兩個(gè)問題：①工作強(qiáng)度大。使用5LDRF-4 型溫室專用燃煤熱風(fēng)爐，每667 m2日光溫室每晚需加煤5 次，因此一人整晚僅能管理2 座面積為667 m2的日光溫室，勞動(dòng)強(qiáng)度大，整晚無法休息。因此迫切需要研發(fā)一種自動(dòng)完成加煤的裝置來解決工作量大的問題。②燃燒不穩(wěn)定。燃燒室加滿煤后，短時(shí)間內(nèi)煤塊無法迅速燃燒，在此期間換熱室溫度會(huì)迅速降低，當(dāng)燃燒室的煤塊全部起火后，換熱室的溫度又會(huì)過高，會(huì)對換熱管的使用壽命造成影響。

自動(dòng)加煤機(jī)的設(shè)計(jì)與研制

為解決加溫時(shí)工作量大的問題，新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所開發(fā)出可以為熱風(fēng)爐持續(xù)加煤、加煤量、加煤速度可控的自動(dòng)加煤機(jī)。研發(fā)的智能型熱風(fēng)爐自動(dòng)加煤機(jī)通過二級(jí)送煤輥機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)煤斗內(nèi)煤的送煤和停止，并利用滑道和火膛推煤機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)向爐膛中心自動(dòng)加煤。自動(dòng)按需加煤，控制其加煤頻率和加煤量，節(jié)煤并提高熱風(fēng)爐的燃燒效率，自動(dòng)按需加煤代替了人工勞動(dòng)。

送煤滑道傾角試驗(yàn)與計(jì)算

散煤與鋼板間的外摩擦系數(shù)可由庫倫公式求得：

散煤內(nèi)部的內(nèi)摩擦系數(shù)可由庫倫公式求得：

式中：ζ——煤塊的外摩擦系數(shù)

μ——煤塊的內(nèi)摩擦系數(shù)

iσ——橫向力

Ci——縱向力

Φ——滑道角度

試驗(yàn)測得煤塊的外摩擦系數(shù)為0.7，摩擦角35°，煤塊的內(nèi)摩擦系數(shù)為1.4，為保證各種煤型的順利加速滑落和減小設(shè)備進(jìn)出口間的高度差，取出煤滑道的傾角為45°為宜（圖1）。

圖1 煤塊極限剪切應(yīng)力與垂直應(yīng)力的關(guān)系

將制作好的樣機(jī)與熱風(fēng)爐對接后進(jìn)行了燃燒試驗(yàn)，出現(xiàn)以下問題：①煤塊流動(dòng)性差，加煤機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后容易被煤塊卡死無法繼續(xù)送煤；②煤塊較大時(shí)送煤力量不足，煤塊堵在熱風(fēng)爐進(jìn)煤口處無法繼續(xù)加煤；③碎煤較多時(shí)，送煤輥與煤塊之間打滑，無法繼續(xù)送煤的情況；④加煤機(jī)長時(shí)間運(yùn)行后煤塊大量堆積在熱風(fēng)爐進(jìn)煤口，易出現(xiàn)熱風(fēng)爐燃燒室的爐火引著了進(jìn)煤口煤塊的危險(xiǎn)。

首創(chuàng)二級(jí)送煤輥?zhàn)詣?dòng)加煤、振動(dòng)落煤機(jī)構(gòu)

針對試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了試驗(yàn)優(yōu)化，研制出了二級(jí)送煤輥（圖2）自動(dòng)加煤、振動(dòng)落煤機(jī)構(gòu)。二級(jí)送煤輥的作用是控制儲(chǔ)煤斗內(nèi)煤的輸送和停止，振動(dòng)器（圖3）的作用是煤炭在輸送過程中出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，通過振動(dòng)讓煤塊分離，并利用滑道和振動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)向爐膛中心自動(dòng)加煤的目的。從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)加煤機(jī)（圖4）穩(wěn)定、安全、加煤量可控的向熱風(fēng)爐中持續(xù)送煤。樣機(jī)與技術(shù)參數(shù)見表1。

圖2 二級(jí)送煤輥

圖3 振動(dòng)器

圖4 燃煤熱風(fēng)爐自動(dòng)加煤機(jī)

表1 燃煤熱風(fēng)爐自動(dòng)加煤機(jī)技術(shù)參數(shù)

使用效果試驗(yàn)

2021 年3 月11 日，在新疆烏魯木齊西山農(nóng)場兩座長80 m 的日光溫室中進(jìn)行一臺(tái)燃煤熱風(fēng)爐自動(dòng)加煤機(jī)與四座磚砌土爐進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，測試數(shù)據(jù)如表2。表2 中的數(shù)據(jù)試驗(yàn)從22:00 加溫至次日6:00。

表2 對比測試數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)顯示，使用一臺(tái)燃煤熱風(fēng)爐自動(dòng)加煤機(jī)的日光溫室夜晚平均溫度為16.1℃，使用4 座磚砌土爐的日光溫室平均溫度為14 ℃，使用燃煤熱風(fēng)爐自動(dòng)加煤機(jī)的日光溫室比磚砌土爐溫度高2.1℃。燃煤熱風(fēng)爐自動(dòng)加煤機(jī)整晚只需加煤一次80 kg 即可，中途不需加煤。磚砌土爐每2 h 需加煤1 次，每次需加煤6 kg，4 座需加煤24 kg，整晚需加煤120 kg。相同條件下燃煤熱風(fēng)爐自動(dòng)加煤機(jī)對比磚砌土爐每晚可節(jié)煤40 kg。因此，數(shù)據(jù)顯示采用燃煤熱風(fēng)爐自動(dòng)加煤機(jī)為日光溫室加溫具有熱效率高，節(jié)約煤資源的特點(diǎn)。而與此同時(shí)，熱風(fēng)爐自動(dòng)加煤機(jī)采用風(fēng)機(jī)輸風(fēng)，溫室內(nèi)的相對濕度也很均勻，變化不超過10%。

經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益

用戶投資效益分析

用戶使用熱風(fēng)爐及自動(dòng)加煤機(jī)可使溫室內(nèi)溫度提高5～10℃，濕度降低20%～30%，產(chǎn)量明顯增加，病蟲害明顯減少，大大提高了產(chǎn)品品質(zhì)，每棚將增加產(chǎn)值6000～12000 元。熱風(fēng)爐及自動(dòng)加煤機(jī)的應(yīng)用大大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)本增效。按照每4 座棚一位值班人員計(jì)算，節(jié)省夜晚值班人工費(fèi)3000 元/ 月，按冬季加溫3 個(gè)月計(jì)算，可節(jié)省人工費(fèi)2250 元/ 棚，棚均節(jié)本增收2550～2850 元。

熱風(fēng)爐及自動(dòng)加煤機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益分析

按企業(yè)生產(chǎn)銷售7420 臺(tái)熱風(fēng)爐自動(dòng)加煤機(jī)，每臺(tái)售價(jià)6000 元計(jì)。

①銷售收入=4452 萬元

②成本費(fèi)用=材料費(fèi)＋廠房設(shè)備折舊費(fèi)＋工資費(fèi)＋水電費(fèi)＋銷售服務(wù)費(fèi)=2328.69 萬元

③增值稅=銷售稅－進(jìn)項(xiàng)稅=487.49 萬元

④銷售利潤=銷售收入－成本費(fèi)用－增值稅=1635.81 萬元

⑤凈利潤=銷售利潤－企業(yè)管理費(fèi)－財(cái)務(wù)費(fèi)（銀行貸款額× 利率＋其它費(fèi)用）=1563.1萬元

結(jié)論

熱風(fēng)爐及自動(dòng)加煤機(jī)在全新疆范圍內(nèi)推廣，對溫室冬季補(bǔ)溫，提高冬季設(shè)施蔬菜、瓜果產(chǎn)量和品質(zhì)，促使果蔬作物提早上市、增加農(nóng)民收入起到非常重要的作用。溫室增溫自動(dòng)化、智能化是廣大用戶在生產(chǎn)中的迫切需求，對于節(jié)省勞動(dòng)力，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本，科學(xué)調(diào)節(jié)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境溫度，都有著極大的幫助。