湖南省蚕桑科学研究所
靳永年 孙仲清
一、 引 言
蚕是变温动物,它的脑神经没有热中枢,缺乏调节体温的健全机能,蚕作周围的气温,直接影响蚕的体温,间接地影响蚕的行动、食桑、消化、血液循环、呼吸、蚕体组织及绢丝物质的合成等一系列生理活动,因此,温度是影响蚕的生命活动极为重要的环境因素之一。 在气温较低的春蚕和晚秋蚕期,蚕室升温采暖,是养蚕生产主要的丰产技术措施之一。蚕种场、站在繁殖蚕种生产中,为了最大限度地提高原蚕饲养成绩,或为了调节好两个对交原蚕品种的同期发蛾,保证预期杂交,蚕室接目的的温度升温采暖,就显得更加重要。
六十年代后期,国内曾有几个技术水平比较先进的国营蚕种场,先后将热风采暖技术应用于蚕室升温,但由于普遍感到耗煤量大,热风输入蚕室后容易陷于过干,且每当寒流侵袭,室外温度太低时蚕室内难以调节达到目的温度,尤其是在采暖设施设计上缺乏能够保证供热和耗热平衡的实用计算方法,在设施建造和装设上常常由于盲目性很大而引起投资上的浪费,致使这一新技术的应用受到很大的局限,一直很难扩大推广。
一九七六年,我所开始对这一蚕室采暖技术进行研究,经过几年来的反复试验,找出
能保证热风采暖系统供热和耗热平衡的计算方法,为降低煤耗,提高热能利用率和设备的采暖能力,在热室结构、余热利用、送暖管道、温湿调节等方面,研究出比较合理、可靠的技术设计方案。一九七八年春,装设在我所5 0 0平方米采暖面积的原原种繁育蚕室新设计的热风采暖设施正式投产,实际使用证明收到了预期的效果。在此基础上继续进行以进一步提高采暖能力为目标的第二轮设计的研究,一九八0年春,将第二轮设计的热风采暖设施建造和装设在采暧面积6 0 0平方米的原种繁育蚕室,经过春蚕的实际生产考验,这更新颖的热风采暖设施,具有更强的采暖能力,且单位采暖蚕室面积的耗煤量更低,完全适应湖南春蚕期寒流侵袭频繁,气温较低的气候特点。
一九八0年春,我省屈原蚕种场 12 0 0平方米采暖面积的蚕室,根据这一采暖技术的
设计方案建造和安装的设施已经投产,并收到良好的采暖效果。现将研究结果,总结报告于后。
二、蚕室热风采暖的基本工作原理
蚕室的热风采暖系统分为热室、逆风机组及送风管道三部分,基本工作原理是:利用煤灶燃烧时放出的热能,通过用铸铁和钢板制成的散热锅和导烟管道,将热量散出,使热室的空气温度升高,然后再由鼓风机将热空气通过白铁管道输送到蚕室各部,使蚕室收到预期的升温采暖效果。由于热室内前端导烟管上部装有水箱,水箱内的冷水受热气化,水汽可以根据蚕室的需要从水箱上的蒸气调节开关排出,与热室内的干热空气混合,成为含有一定比例水蒸汽的热风,因此,这种热风采暖系统的装置,实质是一种简易的既能升温又能调湿的空调装置。
三、热室及其设备部件的设计、建造和安装
(一)热室的位置 热室是热风采暖系统的主要组成部分,是空气的加热间,热室的位
置通常建造在蚕室北面的中央,也可设在蚕室的东侧或西侧。热室设在蚕室中部的,对各间蚕室送入的风量和风速差异较少。
(二)热室的大小 依导烟管的长短而定,而导烟管规格的设计必须与采暖蚕室的总耗
热量相适应。一般供应600平方米养蚕室采暖的热室,室内净长330厘米,净宽190厘米已经足够。如采暖蚕室较大,可接导烟管的装设需要,适当加大,热室净高一般以2 0 0~2 2 0厘米为适。
(三)热定外壳的保温性能 热室外壳要求保温能力较强,一般周围用24厘米的一砖实眠墙砌成,室顶最好砌成1:6的砖拱,这样可以防止热室受热后,顶部与四周墙壁连接处产生裂缝而致热气漏出。热室的一侧设保温能力较强的夹层厚门,面向热室内的门板,应为薄钢板,以防烧成灼热的导烟管散出的高温将门板烘焦或引起燃烧。门框宜小,以仅能便于导烟管搬入安装或搬出维修为度。通常宽80厘米,高140厘米。
(四)热源和散热部件 热室的热源为煤灶,灰膛进深8 0至9 0厘米,阔4 0~5 0厘米,上窄下宽。炉栅由六至八根炉条铺成,一端放低七厘米,以利通风助燃。
热室的散热部件,包括散热锅、导烟管和水箱。
1、散热锅 由铸铁铸制而成,呈船篷形复盖在炉栅上,形成煤灶的江膛,是热室内的
主要散热部件,在煤灶燃烧的正常的情况下,能把散热锅烧成灼热通红。
2、导烟管 是前接散热锅,后接烟囱的钢管,导烟管不断将灶内燃烧的高温烟气导人
烟囱的同时,由管壁散出大量热量,将热室内的空气加热,是热室的散热部件之一。连接散热锅的前段导烟管,应用铸铁铸成,以免被散热锅灼热的高温损坏导烟管,以延长它的使用寿命。后段导烟管则可用薄钢板制成。热室的加热能力,在煤灶燃烧状况相同的情况下,取决于散热锅和导烟管热面积的大小。为了充分利用导烟管内烟气的热能,最大限度地提高散热部件的加热能力,因此,导烟管至少迂回四个弯曲。为了防止烟灰在导烟管内大量沉积,影响烟气的畅通排出,导烟管是逐渐由低到高,呈螺旋状迂回安装的。
3、水箱 装设在靠近散热锅尾端狭长管状的法兰头附近的导烟管上,设置水箱的目的
是产生蒸汽,能起补湿的效能。通过我所第二轮设计的热风采暖设备的实际使用证明,水箱壁与导烟管壁相距5厘米,构成一个龙门式的水箱,较第一轮设计的水箱与导烟管连接(称连管式水箱)的,明显地提高了前段导烟管的温度。从而大幅度地提高热室内空气的温度,调查结果详见表一。
水箱一侧连通进水管和溢水管各一条,以便冷水经常通过进水管补给,冷水补足后,余水即由溢水管溢出,水箱要求密封,只在顶部设一导管及排气开关,以便控制蒸汽排出量的多少,籍以调节蚕室内的温度。
4、水箱蒸汽余热的利用 水箱常有大量多余的蒸汽从溢水管排出,造成热室热量的大
量浪费。因此,在蒸汽调节开关下部的导管上,连通接上一根蒸汽余热利用导管,将这些常易浪费的蒸汽导入装有直径二厘米排营的蚕室内。生产实践证明,只要水箱密封,这些余汽热量能将一间开间四点五公尺,进深十一点六公尺的蚕室升温达到2
5°C。
(五)热风出口和回风进口 根据气体比重与其绝对温度(绝对温度°K= 2 7 3十摄
氏温度°C)成反比,即气体的绝对温度愈高,比重就愈轻的原理,热室的热风出口,应设
在热室的顶部或热室的东(西)后墙的最上部。热室的回风进口,应设在紧靠散热锅附近热室的墙脚最下方。回风进口接连砖砌的回风道,回风道又接连蚕室内窗户下的回风口,以便将蚕室内加热后的冷却空气或新鲜的冷空气运回输入热室,从而形成一个流动的冷热空气循环系统。
为了使从回风口进入的冷空气能几乎全部流经散热锅和导烟管,充分被散热部件加热,因此,在回风口处上方复盖一块导流薄钢板,这对最大限度地提高热室热风的温度,作用是十分显著的。对比试验证明,在灶膛内煤块燃烧状况大致相同的情况下,装设导流板的,热室热风出口处空气的温度较未设导流板的提高5~8°C。试验成绩见表二。
(六)烟囱 位干热室的后墙,与导烟管的末端相连通,烟囱设计和建造的优劣直接影
响煤灶内煤块燃烧的旺盛程度,从而左右着热室热气温度的高低。通常蚕室热风采暖系统的烟囱内径36厘米见方已经足够,烟囱高度高出蚕室屋檐300~400厘米即可。生产实用证明,利用烟囱的自拔力进行燃烧的热室煤灶,烟囱出口的烟气流速能够达10米/秒时,烟囱的设计和建造是成功的。
四、热风采暖系统中热平衡的计算 蚕室热风采暖系统工作运行过程中,当整个系统达到热力稳定状况时,热室的供热量至少应与采暖蚕室的耗热量相等,否则,就会发生热力供应不足,采暖时不能达到目的饲育温度的弊病。因此,在设计一栋新建蚕室热风采暖系统的热室供热能力时,必须首先计算出采暖蚕室的总耗热量,然后才根据总耗热量计算和设计出供热能力相应的热室。
近几年来,我们根据蚕室结构的特点及蚕儿生理上对采暖通风的独特要求,找出能够保证蚕定热风采暖系统中供热和耗热平衡的计算方法,这些方法经过生产实践验证,说明可供实际设计采暖设施时采用。
(一)室室总耗较量的计算
计算耗热量的公式是:
Q=KXS(tn-tw)
式中:Q——蚕定的耗热量(千卡/时)
K——与室外接触面的建筑材料的传热系数(千卡/米2·时·°C);
常用的K值如下:
24厘米厚的砖墙为1.79;
地木板为2.5;
15厘米厚混凝土预制板为3.45;
混凝土地面为0.23;
单层玻璃被门为5;
木门为4;
S——耗热面积(米2)
tn——蚕室内采暖的目的温度(°C);
tw——室外温度(°C)
在计算蚕室的总耗热量时,实际是计算与室外或不采暖房屋接触的所有建筑面,如北外墙、南外墙、东外墙、西外墙、北玻窗、南玻窗、地板、天花板、门扇等耗热量的总和。同时,北向的墙和门窗耗热量应附加10%,东、西、南向的墙或窗的耗热量应附加5%。此外,还应加入迎风面窗缝的耗热量,其计算公式如下:
Q= 0.24G(tn- tw)×r
式中:Q——迎风面窗缝的耗热量(千卡/时);
0.24——空气比热常数(千卡/公斤·°C);
G——从迎风面窗缝渗入的空气总量(米3/时);
r——空气比重(1.29公斤/米3);
在计算G值时,将蚕空迎风面窗缝的总长与每米窗缝渗入的空气量相乘即可。
(二)热室供热能力的计算
热室的供热能力即热室的产热量,其计算公式是:
Q=F×K×△t
式中: Q——热定产热量(千卡/小时);
F——散热锅和导烟管的散热表面积(米2);
K——散热锅和导烟管的传热系数(千卡/米2·时°C);
铸铁锅的K= 8—10 钢管的K= 10
△t——加热管道内烟气平均温度与回风温度差(即烟气平均温度一回风湿
度),通常在无鼓风机,即自然燃烧的条件下加热管道的初温为700—800°C,管道末端的终温为 1000-1200°C。烟气平均温度即初温与终温的平均值。
以我所繁育原原种的第五蚕室为例,该室需采暖的养蚕室共8小间,每间开门4.5米,
进深11.6米,高为3.8米、每间南北外墙的玻窗面积各为4平方米,外墙为24厘米厚砖墙,地面和天花板为15厘米厚的混凝土预制板,养蚕室下面挂肚桑室,上面是上簇室.按上列公式计算,采暖蚕室的总耗热量为19995千卡/时。该蚕室的热室散热锅和导烟管的散热面积, 6.1平方米,(热室规格见79——01图纸),按公式计算,其供热能力为23180于卡/时,因此,该蚕室的供热能力是足够的。生产实际使用结果也证明这一点.
五、送风机组及送风管道的装设和配置 (一)送风机组 由鼓风机和电动机两部分组成。
鼓风机紧靠热室的热风出口处,它主要的任务是把热室内经过加热的空气抽出,通过送风管道输入蚕室各部。
鼓风机通常分离心式、轴流式和混流式三种。离心式风机具有效率高、流量大、输出气流均匀、结构简单、制造容易的优点,但体积较大。轴流式风机的体积小、重量轻,但结构复杂,造价较高,混流式风机则界于其中,根据蚕室热风采暖的要求,我们选用了离心式风机。经过多次试验及实际使用校正说明,对养蚕面积500—600平方米的蚕室,热风采暖所需风机的风量以1900米3/时,风压为190毫米水柱,转速为2400转/分为合适。风机参数的预选及风机转轴、内叶板、叶片和蜗壳等部件的结构和大小的设计及计算,本文从略。
鼓风机的动力来自电动机,通过皮带轮而转动,(一般采用B型三角度带)。马达的功
率 2.8—3千瓦,转速1450转/分较为适当。
(二)送风管道 由镀锌钢板(白铁皮)制成,分为主风管和支风管,主管风速一般为
10米/秒左右,支管风速一般为6—8米/秒。
生风管从蚕室外引入蚕室后,东西横向穿越蚕室之间的隔墙,安装在每间蚕室的中央天花板下力约30厘米处。在风量相同的情况下,风速与民营截面积成反出。因此,从室外透风机引入热风的主风管,前半段直径较大,一般为20—22厘米,随着主管的延伸,直径应逐渐减小,至主管的末端,直径一般应为13—15厘米。主管的直径所以要按上述原则设计,主要是为了保证主管后段和末端的风速不至明显的减慢,使主管末端的热风仍能较有力地吹入蚕室各部,使各间蚕室收到大致相同时采暖效果。我们多次用DFA一2型风速表从中部蚕室到东端或西端蚕室逐渐进行支风管风速的实测,风速虽然有渐减趋势但幅度不大,一般平均每间风速递减率约3%。为了减少生风管热量的无谓散发消耗,无论是从鼓风机送风口至蚕室内的主管,或穿越各间蚕室预部的主管,都应加上保温层,方法是先沿管壁缠满草绳,然后粉抹纸筋石灰浆即可。
支风管一般以三通管的形式与古风管相连,通常每小间蚕室装设支风管两根,分别向南北方伸延至近地面附近止,吹风口向蚕室中央。为了尽量减少热风流动的阻力,支管与主管连接处应制作成五节弯形管,切忌热风从直角形的管道流过。支风管直径一般为主风管的三分之一,即7—8厘米较为合适。在每根支风管的中下部,装设一个风量调节开关(见79—02图纸).以便随时控制每间蚕室输入的热风量,籍以调节每间蚕室各自不同的目的饲育温度。
六、委宣热风采暖的实际使用效果
目前,在蚕室的采暖方法中,依热源和采暖设备不同,大致有火盆烧木炭采暖、地火龙采暖、铁炉烧煤采暖流、热风采暖、热水和过热水采暖、蒸汽采暖、电热采暖等七种。前三种设备投资虽少,但存在着室内碳气和灰尘多或室内温度分布不匀、调节不便等许多缺点,后三种的采暖效果虽然比较好,但需较多的钢材、设备和投资。而热风采暖,既克服了前三种采暖方法的缺点,为蚕室创造了一个符合蚕儿生理需要的温湿度和气流的环境,又较后三种采暖万法的设备少,投资费用低,可以说是比较经济、实用而又理想的蚕室采暖方法。通过几年来的反复试验和实际使用,我们体会到热风采暖有如下优点,
(一)室室温度平面分布均匀 由于热风是分别从装设在蚕室南北部近地面处的支风管处吹出。使室内气流经常处于一个微动的冷暖空气不断拌和的状态。因此,在同一高度的
平面上,蚕室各部位的温度的差异不大,实测表明,在送风的情况下,离地面90厘米和140厘米的平面上,最大温差幅度一般没有超过1℃
(二)温度调节自如 外温低,蚕室升温采暖,室内往往容易陷于过干。但由于热室内
水箱有不断然出的水蒸气补给,而且蒸汽排出量由一个连接到热室外面的连杆操纵的开关所控制,温度调节方便自如。生产实践证明,在外温较低,需要不断进风采暖的情况下,蚕室相对温度可以通过操纵气字调节开头随意控制在70%一90%的范围内。
(三)空气新鲜,人、蚕舒适 即使在蚕室内不直接燃烧木炭或其他补温燃料的情况下,蚕体、桑叶常散发出二氧化碳,蚕座的沙中发出氨气、二氧化碳、吲哚等不良气体,加上饲养人员呼出二氧化碳,因此,蚕室空气是容易污浊的,尤其在大蚕期。而空气污浊常常引起蚕的呼吸障害而导致生长发育不良。输送热风采暖时,蚕室内源源不断供入新鲜空气,并使室内保持一定的微动气流,使人和蚕都感到异常舒适。据实测,支风管接近地面的吹风口风速虽为6—8米/秒,但蚕架上蚕座的风速大多只有0.10—0.20米/秒,最大风速为0.25米/秒,事实证明,在这一范围内的空气流速,既不影响蚕的活动,又不会明显加速桑叶的凋萎,可以说是合适的气流,热风采暖对桑叶凋萎速度的影响见表三。
(四)设备简单投资少 和采暖效果较好的蒸汽采暖相比,热风采暖需用钢材和设备少得多。控装设一栋采暖面积约六百平方米的蚕室,热风采暖设备只需铸铁1000公斤,钢材680公斤,及鼓风机、电动机各一台(详细材料设备见附件二),而装设同面积养蚕室的蒸汽采暖设备,需钢材2800公斤,什铜120公斤,及额定蒸汽量相应的锅炉一座,投资费用比热风采暖多二倍以上。
(五)燃料费用较低 我所蚕室原用木炭燃烧采暖,根据所内过去历年春蚕实际耗炭量的记录,平均每饲养一百克原蚕蚁量需耗木炭1500斤左右,一栋能养450克蚁的养蚕室,每年春蚕约需木炭67担,按每担木炭8元计算,需燃料费536
元,而同面积的热风采暖养蚕,每年春蚕期需耗烟煤8—10吨,按每吨烟煤24元计算,需燃料费192一240元。因此,热风采暖燃料费较燃烧木炭低得多。
(六)是一套夏秋季降温防闷,促进蚕室通风的良好设备 在天气炎热的夏秋季,尤其在闷热无风的情况,开空车送风,对促进蚕室内外的空气交换,避免或减轻郁热对蚕体生理的为害,效果是相当好的。试验证明,蚕体温度比蚕座温度略高,但不超过1°C,在蚕座无风的情况下,外温愈高,蚕的体温也愈高,与气温的温差也增大,但室内即使有每秒10厘米的微小气流,气温与蚕体的温差就很快缩小。如能在热室和蚕室内的回风口处放置足够的冰块,使蚕室不断进入温度较低的冷风,对蚕室的通风降温,效果是比较好的。
七、热风采暖设备的使用和保养
(一)温度调节 必须在开始养蚕的一天升火烧灶,先将热室烧热,然后再送热风入蚕室升温。当整个采暖系统热力真正达到稳定状态时,才开始放蚕入室饲养。在实际生产中,各小间蚕室因蚕品种、龄期或同一龄期的发育阶段不同,要求不同饲养目的温度时,可通过各室支风管的风量调节开关进行调节。但在同一间蚕室中开关的闸门板开闭程度要掌握一致,否则容易引起蚕室南部和北部温度不一,导致蚕儿发育不齐。
(二)温度调节和水箱冷水的补给 蚕室过干时,在热室外拉动连接水箱上部的蒸汽调节开关的连杆,打开开关,水蒸汽即大量排出,短时间内,蚕室即可达到目的温度。在小蚕期及外温太低时,由于水蒸汽不断的大量消耗,要特别注意水箱冷水的定时补给。水箱装设水位指示器的,当水箱水位只达一半时,就要打开进水管龙头,补入冷水,至溢水管开始溢水时,即将龙头关闭,没有水指示器的,一般约每隔2小时水箱需补给冷水一次。
(三)严防煤气侵入蚕室 正常情况下,煤灶内燃烧产生的煤气,只从导烟管通过烟囱
排出,不会侵入蚕室。但在下列三种情况下,煤气可能从灶膛渗入热室,而沿着进风管道进入蚕室。
1、蚕室内的回风口被蚕具挡塞,形成热空回风不足甚至四风停止时,煤灶内的煤气即被鼓风机的强大吸力抽入热室空。
2、散热锅与热室地面交接处没有完全密封。
3、导烟管末段与烟囱连接处有缝隙,烟气可能通过缝隙倒流入热室。为防养蚕煤气中毒事故发生,必须注意检查。
(四)认真做好鼓风机的保养工作 鼓风机转速快,加上鼓送热风,促使机体和滚珠轴承温度升高,因此,轴承容易磨损,运转期间,最好每天加注黄油一次。经常检查轴承部
分,发现一有损坏时,立即更换。为了保护好鼓风机和电动机,最好将机组安装在小室内,防止机组被日晒雨淋。
(五)清除烟道煤灰 每年春季开始烧灶前,将导烟管全部拆卸,彻底清除沉积在导烟管和烟囱基部的煤灰,以保证烟道的畅通。
(六)防止风管生锈 蚕室喷撒漂白粉液消毒1—2小时后,随即用清水冲喷室内的全
部送风管道、以防管壁被药物腐蚀生锈。
八、结 语
热风采暖是目前养蚕生产中一种比较经济、实用而效果又比较理想的采暖方法。我们研究设计的蚕室热风采暖设施技术方案,具有设备投资少、热能利用率高、燃料费用低、温湿调节方便的特点,通过较大面积生产的采用,证明能够达到下列经济指标和技术指标:
(一)一栋采暖面积600平方米的蚕室,然风采暖全部设施(包括士建和设备)的投资约需3000元,春期饲养原蚕并制种,需耗烟煤8—10吨。
2、在外温12° C的低温情况下,能使蚕室内升温达到26°C或27°C,相对湿度调节过70~90%的范围,且温湿度稳定而均匀。完全能够满足不同发育阶段的蚕儿对温、湿和气流的要求。
(二)蚕室热风采暖设施由热室、送风机组和送风管道三部分构成,其中热室的设计是提高设备的采暖能力和降低煤耗的主要关键。经过几年来我所在热室设计上的反复试验和生产使用过程中的不断验证,认为采用龙门式水箱、回风口附近装设导流板及充分利用水箱蒸汽余热,对大幅度提高热室的加热能力和热能利用率,作用是十分显著的。
(三)研究探索出能保证蚕室热风采暧系统供热平衡的计算方法,避免了过去设计和建造采暖设施时因盲目性大而引起投资的浪费。生产实践证明,这种计算方法,完全可供实际采用,经得起生产的考验。
(四)热风采暖技术对蚕种场和有条件的蚕桑场是十分适用的。这一研究成果的取得,为热风采暖在养蚕生产中大量应用和推广铺平了道路。
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