温室专用燃煤热风炉自动加煤机研制＊

2021-09-17罗文杰齐新洲张彩虹王国强新疆农业科学院农业机械化研究所乌鲁木齐830091

农业工程技术 2021年16期

王彦，罗文杰，苏剑，刘涛，齐新洲，张彩虹，王国强（新疆农业科学院农业机械化研究所，乌鲁木齐 830091）

随着“菜篮子”工程的实施，日光温室得到广泛应用，它对丰富老百姓的菜篮子、改善老百姓生活、解决北方冬季吃青菜难问题、繁荣农村经济发挥着重要的作用。但是在新疆北纬43°以北的大部分地区，冬春两季气温低，不仅大田无法进行生产，就是日光温室内无供暖的情况下，也只能生产耐寒性强的蔬菜[1]。这不仅影响了菜农的经济效益，也增加了消费者的负担。因此，为保证北疆地区冬季新鲜蔬菜供应，日光温室内供暖设施与设备的研究一直是重要研究内容[2]。目前，新疆北部地区的日光温室多为土木结构，覆盖材料简陋，隔热防寒、保温蓄热、采光通风性能均很差。冬季生产中，要确保日光温室作物的正常生长发育和高产优质，还需进行少量适当加温，实际上北疆寒冷地区的一些日光温室冬季作物生产已经应用了简易砖砌炉来给温室加温。生产实践表明，简易砖砌炉加温提高了日光温室冬季作物的生产效益，但也存在很多问题。简易砖砌炉由于炉膛较小，燃烧不充分，热量往往积聚在烟道周围，热量不易对流，室内温度不均，热效率低，而且炉烟污染较严重。目前，日光温室升温方式主要有炉火加温、锅炉加温、电加温及热风炉加温等[3]。针对新疆北部寒冷地区日光温室加温设备落后、能耗高、排烟污染严重，市场上出现了多种加温设备，从加温效果和经济效益综合来看，燃煤热风炉加温的效果是日光温室加温的最佳形式之一，也是近年来发展较快的一种加温形式[4]。

热风炉形式

热风炉是通过燃烧后将空气加热，提升空气温度，将燃料的热能输出到空气中的环境加温设备，主要由燃烧室和热交换器构成。常见的热风炉主要分为燃煤热风炉、燃油热风炉、燃气热风炉、生物燃料热风炉、电热风炉等[5]。热风炉最主要的部件是换热器，按照换热器的结构形式划分，可分为列管式换热器和板材排列式换热器。热风炉的结构形式主要分为两种，立式热风炉和卧式热风炉。新疆日光温室冬季越冬生产主要的加温方式有土制炉加温、暖气加温、热风炉加温等。与土制炉相比，热风炉加温节省能源、热效率高、操作方便、节省人力。与前期投入大，安装复杂的暖气相比，热风炉前期投入小，安装简便，操作难度小，适合普通农户使用。热风炉加温有五大优势：①没有水循环系统，主机产生热风后通过风道直接输送到温室的各个角落，不需要水循环系统，因此就没有冬天冰冻、水管结垢以及渗漏等问题；②安装适应性强，主机采用立式安装，全部操作在室内就可以完成；③节约运行费用，可以按照用户的个性化需求进行，温室温度高低可以自动独立调解，在暂时不需要加热时可以关闭系统，从而节约运行费用；④热风炉为常压运行，安全可靠，采用强制排风以及新风换气系统，保证室内空气质量；⑤燃料价格低（相对电加热方式），热风炉输出干热空气，可将室内湿度降低60%～70%，使病菌处在不利于孢子发芽的湿度下，从而抑制各种病害的发生和发展。热风炉的优点使其成为温室供热设备的首选，也在日光温室中越来越广泛地应用。

燃煤热风炉现状与问题

根据新疆自然资源结构特点，目前新疆日光温室加热设备主要以燃煤热风炉为主。尽管新疆农业科学院农业机械化研究所对燃煤热风炉的研究相对较晚，但起步较高，更新换代、发展的速度很快。目前已经研制出了第四代燃煤热风炉，采用立式结构，炉体由钢板焊接而成，集燃烧与换热为一体，减少了热量损失，具有升温快、节省燃料、污染小的优点，目前已达到国内领先水平，热效率达到65% 以上。以新疆农业科学院农业机械化研究所研制的5LDRF-4 型温室专用燃煤热风炉为例，该款热风炉热效率高、操作简单，燃烧充分，每667 m2日光温室仅需使用一台就能使温度提升5～11℃。同样以北疆乌鲁木齐市周边日光温室为例，冬春季加温时间长达4～5 个月，每667 m2温室年耗煤量仅10 t 左右，相对于简易砖砌炉节省煤20 t，节省开支4000 元左右，显著增加了农民的经济效益，减少了空气污染。但燃煤热风炉存在两个问题：①工作强度大。使用5LDRF-4 型温室专用燃煤热风炉，每667 m2日光温室每晚需加煤5 次，因此一人整晚仅能管理2 座面积为667 m2的日光温室，劳动强度大，整晚无法休息。因此迫切需要研发一种自动完成加煤的装置来解决工作量大的问题。②燃烧不稳定。燃烧室加满煤后，短时间内煤块无法迅速燃烧，在此期间换热室温度会迅速降低，当燃烧室的煤块全部起火后，换热室的温度又会过高，会对换热管的使用寿命造成影响。

自动加煤机的设计与研制

为解决加温时工作量大的问题，新疆农业科学院农业机械化研究所开发出可以为热风炉持续加煤、加煤量、加煤速度可控的自动加煤机。研发的智能型热风炉自动加煤机通过二级送煤辊机构，实现储煤斗内煤的送煤和停止，并利用滑道和火膛推煤机构实现向炉膛中心自动加煤。自动按需加煤，控制其加煤频率和加煤量，节煤并提高热风炉的燃烧效率，自动按需加煤代替了人工劳动。

送煤滑道倾角试验与计算

散煤与钢板间的外摩擦系数可由库伦公式求得：

散煤内部的内摩擦系数可由库伦公式求得：

式中：ζ——煤块的外摩擦系数

μ——煤块的内摩擦系数

iσ——横向力

Ci——纵向力

Φ——滑道角度

试验测得煤块的外摩擦系数为0.7，摩擦角35°，煤块的内摩擦系数为1.4，为保证各种煤型的顺利加速滑落和减小设备进出口间的高度差，取出煤滑道的倾角为45°为宜（图1）。

图1 煤块极限剪切应力与垂直应力的关系

将制作好的样机与热风炉对接后进行了燃烧试验，出现以下问题：①煤块流动性差，加煤机运行一段时间后容易被煤块卡死无法继续送煤；②煤块较大时送煤力量不足，煤块堵在热风炉进煤口处无法继续加煤；③碎煤较多时，送煤辊与煤块之间打滑，无法继续送煤的情况；④加煤机长时间运行后煤块大量堆积在热风炉进煤口，易出现热风炉燃烧室的炉火引着了进煤口煤块的危险。

首创二级送煤辊自动加煤、振动落煤机构

针对试验过程中出现的问题，研究团队进行了试验优化，研制出了二级送煤辊（图2）自动加煤、振动落煤机构。二级送煤辊的作用是控制储煤斗内煤的输送和停止，振动器（图3）的作用是煤炭在输送过程中出现卡阻现象，通过振动让煤块分离，并利用滑道和振动机构实现向炉膛中心自动加煤的目的。从而实现了自动加煤机（图4）稳定、安全、加煤量可控的向热风炉中持续送煤。样机与技术参数见表1。

图2 二级送煤辊

图3 振动器

图4 燃煤热风炉自动加煤机

表1 燃煤热风炉自动加煤机技术参数

使用效果试验

2021 年3 月11 日，在新疆乌鲁木齐西山农场两座长80 m 的日光温室中进行一台燃煤热风炉自动加煤机与四座砖砌土炉进行对比实验，测试数据如表2。表2 中的数据试验从22:00 加温至次日6:00。

表2 对比测试数据

数据显示，使用一台燃煤热风炉自动加煤机的日光温室夜晚平均温度为16.1℃，使用4 座砖砌土炉的日光温室平均温度为14 ℃，使用燃煤热风炉自动加煤机的日光温室比砖砌土炉温度高2.1℃。燃煤热风炉自动加煤机整晚只需加煤一次80 kg 即可，中途不需加煤。砖砌土炉每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。相同条件下燃煤热风炉自动加煤机对比砖砌土炉每晚可节煤40 kg。因此，数据显示采用燃煤热风炉自动加煤机为日光温室加温具有热效率高，节约煤资源的特点。而与此同时，热风炉自动加煤机采用风机输风，温室内的相对湿度也很均匀，变化不超过10%。

经济社会效益

用户投资效益分析

用户使用热风炉及自动加煤机可使温室内温度提高5～10℃，湿度降低20%～30%，产量明显增加，病虫害明显减少，大大提高了产品品质，每棚将增加产值6000～12000 元。热风炉及自动加煤机的应用大大减轻劳动强度，节本增效。按照每4 座棚一位值班人员计算，节省夜晚值班人工费3000 元/ 月，按冬季加温3 个月计算，可节省人工费2250 元/ 棚，棚均节本增收2550～2850 元。