Построение мехатронных систем искусственного микроклимата с ультразвуковым распылением жидкости

Мехатронные системы искусственного микроклимата находят широкое применение в промышленности, медицине и сельском хозяйстве. При построении подобных систем приходится в приделах ограниченного объема решать проблему поддержания заданных влажности, давления и температуры. Если задачу поддержания необходимой температуры обычно решают с помощью традиционных электронагревательных приборов в составе системы автоматического регулирования, то обеспечение заданной влажности имеет целый ряд особенностей, определяемых специфическими требованиями, связанными с областью применения системы искусственного микроклимата.

Прежде всего, при создании системы искусственного микроклимата приходится решать проблему выбора способа распыления жидкости.

Использование способа получения жидкостного аэрозоля путем испарения жидкости при нагреве позволит получить очень качественный мелкодисперсный аэрозоль. Однако быстродействие регулирования данного процесса очень низкое, а требуемые дополнительные источники тепла нарушают тепловой баланс замкнутого объема. В случае построения системы искусственного микроклимата для области низких температур данный тепловой испарительный способ распыления вообще недопустим.

Способы распыления за счет пробрызгивания жидкости под давлением через малые отверстия или за счет скоростного потока воздуха позволяют получить аэрозоль с дисперсностью 30…100 мкм. При этом может быть обеспечена и достаточно высокая скорость регулирования производительности распыления. Однако, если система искусственного микроклимата создается в замкнутом объеме и требует поддержания стабильного внутреннего давления, то вспрыскивание жидкостного аэрозоля под давлением является весьма не желательным. Примером могут являться медицинские барокамеры с искусственным, насыщенным лечебными препаратами, микроклиматом.

Распыление жидкости за счет центробежных сил не нарушает давление в объеме, однако позволяет получить аэрозоль с дисперсностью лишь 150…400 мкм. Если создается система искусственного микроклимата для сельскохозяйственной теплицы, то такие крупные капли жидкости, оседая на листьях растений, играют роль оптических линз, которые, фокусируя свет от мощных тепличных источников освещения, прожигают листья.

Создание систем искусственного микроклимата на базе ультразвукового способа распыления жидкости, выгодно отличающегося от названых выше. При создании систем искусственного микроклимата возможны различные способы насыщения замкнутого объема жидкостным аэрозолем. Жидкость можно распылять в систему вентиляции помещения. При этом ультразвуковые диспергаторы размещают вблизи входа системы вентиляции в помещение, что снижает вероятность оседания аэрозоля на стенках воздуховода.

Такая система обеспечивает хорошую гомогенизацию, подавляемой в помещении смеси, и благодаря компактности проста в обслуживании. Для получения необходимой концентрации аэрозоля часто приходится ставить не один, а несколько диспергаторов, имеющих общую систему подачи воды и возбуждаемой либо от одного общего генератора ультразвуковых колебаний, либо от индивидуальных генераторов. Проблемы, возникающие при выборе того или иного варианта возбуждения диспергаторов, обусловлены разбросом их характеристик и достигаемой надежностью системы.

Такой способ насыщения воздуха аэрозолем целесообразен для помещений, в которых условиями производства предусмотрена система вентиляции и в которых примерно одинаковый тепловой режим в различных частях помещения. Примером могут служить ткацкие цеха, в которых количество обрывов нитей зависит от влажности атмосферы, цеха полиграфического производства многослойных рисунков, в которых от влажности атмосферы зависит степень коробления подложки и, соответственно, качество рисунка, затененные грибные теплицы, требующие высокой степени влажности.

При создании подобных мехатронных систем для реализации автоматического регулирования достаточно одного датчика влажности, а количество аэрозоля в воздухе может регулироваться за счет широтно-импульсной модуляции управляющего сигнала, подаваемого на ультразвуковые диспергаторы.

Если же помещение имеет разные тепловые участки, то центральное распыление аэрозоля не позволит добиться постоянной влажности во всем помещении. Примером могут служить большие стеклянные сельскохозяйственные теплицы. При наличии на небе облаков солнце не равномерно обогревает такие теплицы, создавая участки повышенной и пониженной температуры. Для достижения равномерной влажности в таком помещении необходимо применять многоточечную распределенную систему ультразвукового распыления с соответствующим количеством датчиков влажности. При этом площадь теплицы разбивается на секторы, обслуживаемые одним или несколькими диспергаторами. Каждый сектор имеет свой датчик влажности. Площадь таких секторов зависит от размера факела распыла, создаваемого диспергатором. Для подобных случаев созданы специальные диспергаторы с расширенным факелом распыла. Благодаря вентилятору и вращающемуся направляющему аппарату такие диспергаторы способны создавать факелы распыла диаметром до 3 метров. Диспергаторы устанавливаются с возможностью покрытия своими факелами всей площади теплицы.

Учитывая большие площади сельскохозяйственных теплиц и, соответственно, большие протяженности цепей управления, целесообразно каждый подобный диспергатор оснащать индивидуальным генератором ультразвуковых колебаний, располагаемым вблизи диспергатора. В этом случае удается настроить каждый диспергатор на оптимальный режим работы, поддерживающий волновой механизм распыления. Разнос аэрозоля вращающимся воздушным потоком позволяет избежать коагуляции капелек аэрозоля в факеле, что способствует повышению качества аэрозоля и обеспечивает высокую степень гомогенизации смеси.

В таких мехатронных системах искусственного микроклимата система управления по сигналам датчиков влажности подключает ту или иную группу исполнительных устройств - диспергаторов, позволяя поддерживать постоянной влажность всех участков теплицы, не зависимо от их освещенности солнцем. При такой организации автоматической системы возможно программируемой изменение влажности или поддержание разного уровня влажности в отдельных секторах теплицы, что необходимо в случаях выращивания в одной большой теплице на отдельных участках различных сельскохозяйственных культур, например, различных сортов цветов.

Применение ультразвуковых диспергаторов в системах искусственного микроклимата благодаря возможностям электронного управления процессом распыления позволяет строить быстродействующие системы автоматического регулирования с микропроцессорным управлением, а высокое качество аэрозоля, получаемого при ультразвуковом распылении, позволяет существенно расширить круг технологических задач, решаемых с помощью таких мехатронных систем.