CEA su yolları ve çok katlı hidrolik — NFT, DWC, damla ve yük dengesi

CEA üretim sistemleri — NFT, DWC ve damlamada su yolları

Aynı çözelti köklere farklı yollardan ulaşır

Tank EC'sini, pH'ını ve sıcaklığını ayarlamak, her kökün etrafında tekdüze koşullar oluşturduğunu kanıtlamaz. İnce hareketli bir film, batırılmış bir kök sistemi ve damla beslemeli bir alt tabaka suyu farklı şekillerde depolar ve taşır; bu da hem gözlem konumlarını hem de muhasebe sınırlarını değiştirir.

Dozajlama yetkilendirmesini takiben, bu kılavuz NFT, DWC ve alt tabaka damlamasını karşılaştırır. Amaç, sistemleri sıralamak veya ekipman önermek değil, suyu tanktan köklere ve ardından dönüşe veya deşarja kadar izlemektir. Tüm sayısal örnekler sentetiktir.

Üç kök ortamını ayırt edin

NFT yapısı Virginia Cooperative Extension'ın NFT kılavuzunu izler; DWC havuzu, dolaşımı ve oksijenlendirmesi onun DWC kılavuzunu izler. Kentucky Üniversitesi'nin hidroponik sulama kılavuzu, bireysel kaplara ve ortama damla teslimatını açıklar.

Diagram 1 · Use the button to switch views

Basitleştirilmiş temsili yollar, bir tesisat spesifikasyonu değildir. Drenaj geri kazanımı ve harici deşarj alternatif yapılandırmalardır, mutlaka eş zamanlı akışlar değildir.

NFT: yalnızca pompa akışını değil, dağıtımı da inceleyin

NFT, kök taşıyan kanalları besler ve akış aşağısındaki dönüşlerini toplar. Çalışan bir pompa, her kanalın engelsiz olduğunu veya uygun bir pay aldığını kanıtlamaz. Yerel birikme de oluşabilir. Bu makale bu nedenle pompa durumunu bireysel kanal giriş ve çıkışlarının gözlemleriyle birleştirmeyi önerir.

VCE'nin NFT kılavuzu, drenajı destekleyen yapıları, toplama tesisatını ve kaldırma ile sürtünmeyi hesaba katan pompa boyutlandırmasını açıklar. Akış yollarını hem kökler geliştikten sonra hem de boş kanallarda kontrol edin.

Sentetik bir örnekte, sekiz kanalın her biri 60 dakika boyunca 1 L/dak alır: 480 L'lik birikmiş dolaşım. Aynı aralıkta bağımsız olarak belirtilen 3 L'lik harici bir tamamlama bu dolaşımla uyumludur. Aynı su tekrar tekrar geçebilir, bu yüzden 480 L harici bir su kullanımı toplamı değildir.

Su ayrıca pompa kapatıldıktan sonra kanallardan ve borulardan geri drenaj yapabilir. Çalışma-ile-durma arasındaki tüm tank seviyesi farkını bitki alımına veya terlemeye atfetmeyin. Yalnızca tanka ait bir dengeyi, tesisatı ve üretim kaplarını kapsayan bir sınırdan ayırın.

DWC: tutulan su oksijen teslimatını kanıtlamaz

DWC kökleri, ince film yapılandırmasının aksine çözelti içinde batırılmıştır. Büyük bir sıvı hacmi tek başına oksijen teslimatını garanti etmez. VCE'nin DWC kılavuzu, bir venturi veya hava pompası ve difüzör kullanan dolaşım ve oksijenlendirme düzenlemelerini açıklar.

Bu ayrımdan yola çıkarak, bu makale sıvı seviyesiyle birlikte yoğun kök bölgeleri dahil olmak üzere birden çok konumda DO ve sıcaklık kaydetmeyi önerir. Dolaşım ve havalandırmanın aynı ekipmanı paylaşıp paylaşmadığını veya bağımsız olup olmadığını kaydedin. Hava akışı ve su akışı her ikisi de L/dak kullanabilir, ancak bunlar farklı denge terimleridir.

10 L/dak'da devir daim yapılan 200 L'lik bir kap için, nominal devir süresi şudur:

Bu, her parselin tam olarak 20 dakikada bir kez geçtiği anlamına gelmez. Kısa devre akışı ve durgun bölgeler dağılımı değiştirir. Ne taze su değişim süresidir, ne karışma bekleme süresidir, ne de yeterli oksijenlendirme için gereken süredir.

Dolaşım veya havalandırma durursa, tutulan su korunan kök koşullarını kanıtlamaz. Bu oran izin verilebilir bir kesinti süresini tahmin edemez.

Damla: alt tabakada tutulan suyu hesaba katın

Damla, teslimatı tanımlar, mutlaka bertarafı değil. Geri kazanımı/yeniden kullanımı sistem dışı deşarjdan ayırt edin. Kentucky'nin kılavuzu, damla beslemeli Bato/Hollanda kovalarını ve toplanan drenajlı torba/kap sistemlerini tartışır.

Uygulanan suyun bir kısmı gözlem aralığının sonunda alt tabakada kalır. Alt tabakaların etrafındaki bir sınır için, I uygulanan suyu, D drenajı, \Delta S tutulan sudaki değişimi, U bitkilere transferi, E buharlaşmayı ve L diğer ölçülmemiş çıkışı temsil etsin. Hepsi aynı aralıkta litre cinsindendir:

Sonuç olarak, tek başına I-D bitki su alımı değildir. Tartarak depolama değişimlerini tahmin ederken, bitki kütlesindeki, kaplardaki ve diğer su-dışı katkılardaki değişikliklerin nasıl ele alındığını tanımlayın.

Sentetik bir örnekte, sekiz damlatıcının her biri toplam on çalışma dakikası boyunca 0.05 L/dak teslim eder ve 4 L uygular. O işlemi içeren aynı iki saatlik gözlem penceresi boyunca, drenaj 1 L'dir ve alt tabaka su depolaması 0.5 L artar. Kalan 4-1-0.5=2.5 L'dir. Bu, yalnızca bitki alımını değil, U+E+L'yi temsil eder.

Drenaj bölü uygulama, o pencere için %25'tir. Toplamayı kısaltmak sonucu değiştirir, bu yüzden pay ve paydanın aralıklarını hizalayın. %25 değeri aritmetik bir sonuçtur, bir sulama hedefi değildir.

Üç niceliği Python'da ayrı tutun

system_water_paths.py olarak kaydedin ve python3 system_water_paths.py çalıştırın.

# Synthetic arithmetic only: not crop or equipment recommendations.
channels, flow_l_min, minutes = 8, 1.0, 60
circulated_l = channels * flow_l_min * minutes
makeup_l = 3.0  # Independently specified external addition.
print(f"NFT: circulated={circulated_l:.1f} L; makeup={makeup_l:.1f} L")

pond_l, recirculation_l_min = 200.0, 10.0
print(f"DWC: nominal turnover={pond_l / recirculation_l_min:.1f} min")

emitters, emitter_l_min, on_minutes = 8, 0.05, 10
irrigation_l = emitters * emitter_l_min * on_minutes
# Drainage and storage change measured over the SAME two-hour window.
drain_l, storage_change_l = 1.0, 0.5
residual_l = irrigation_l - drain_l - storage_change_l
print(f"Drip: applied={irrigation_l:.1f} L; residual={residual_l:.1f} L")
print(f"Drain/applied={100 * drain_l / irrigation_l:.1f}%")

Çıktılar NFT için 480 L dolaşım ve 3 L tamamlama; DWC için 20 dakika nominal devir süresi; ve damla için 4 L uygulanan, 2.5 L kalan ve %25 drenaj/uygulama oranıdır. Bunlar bağımsız örneklerdir, üretim sistemlerini karşılaştıran bir su verimliliği deneyi değildir.

Fiziksel yolları kontrole geri getirin

Aşağıdaki gözlem planı bu makalenin muhasebe sınırlarından türetilmiştir. Paylaşılan EC ve pH ayarlarının yanında sisteme özgü yolları da ekleyin.

Dönüş çözeltisi yeniden kullanılıyorsa, miktarını, kalitesini ve arıtma yolunu kaydedin. Eşit EC, dönüş çözeltisini kaynak suyla eşdeğer kılmaz. Ayrıntılı sanitasyon ve arıtma tasarımı ayrı bir çalışma gerektirir.

Bu kılavuz üç sistem için su yollarını ve ölçüm sınırlarını belirler. Aeroponik, çok katlı dağıtım ve dönüş, ve ölçülmüş kontrol doğrulaması açık kalır. Sırada, çok katlı yetiştiricilikte yükseklik ve dallanma arttıkça kaldırma, akış dağılımı ve drenaj arasındaki ilişki var.

CEA çok katlı su dağıtımı — yük, dal akışı ve geri drenaj

Çalışan bir pompa her kata eşit akış olduğunu kanıtlamaz

Üretim su yollarını dikey olarak genişletmek kaldırmayı, dal direncini ve kapatma sonrası geri drenajı devreye sokar. Diğer dallar toplamı önemli gösterirken bir kata giden akış yetersiz olabilir.

Bu kılavuz, birkaç yükseklikte atmosferik çıkışları besleyen açık alçak bir rezervuarı ve yerçekimiyle toplamayı ele alır. Sentetik bir pompa eğrisi ve dal modeli ilişkileri gösterir. Bunlar ekipman, mahsul akış gereksinimleri, basınç dengeleyici damlatıcılar veya sisleme nozulları seçmez.

Yük, raf yüksekliğinden fazlasıdır

NDSU'nun sulama pompası kılavuzu, statik, basınç, sürtünme ve hız yükünü ayırır ve akış/yük gereksinimlerini pompa eğrileriyle ilişkilendirir. Bir kaynak serbest yüzeyi ile bir çıkış arasında, genel muhasebe şöyledir:

Tüm terimler metre cinsindendir. Yükseklik farkı \Delta z, basınç farkı \Delta p'dir ve h_L boru, bağlantı parçası ve vana kayıplarını içerir. Akışsız durumdaki maksimum yük, gerekli bir akıştaki mevcut yükten farklıdır. Maksimum akış ve maksimum yük eş zamanlı çalışma kapasiteleri değildir.

VCE'nin NFT kılavuzu, kaldırma/sürtünme gereksinimlerini ve yerçekimiyle toplamayı açıklar. Basıncın açık kanallara serbest bırakıldığı yerlerde, alçalan dönüş kaldırmayı basitçe iptal etmez. Bu sınır, sürekli dolu kapalı bir döngüden farklıdır.

Üç dalı birlikte çözün

Rezervuar serbest yüzeyini sıfır yükseklik olarak alın. H'yi o yükseklikteki ideal bir manifolddaki mevcut yük olarak alın; bu, basınç yükünü yaklaşık olarak temsil eder ve manifold içindeki hız-yükü farklarını göz ardı eder. Dal çıkışları atmosferiktir; çıkış hızı etkileri basitleştirilmiş ikinci dereceden direnç içinde ele alınmıştır.

Sentetik pompa eğrisi H_p(Q)=6-0.020Q^2'yi ve ortak boru kaybı 0.005Q^2'yi kullanın. Akış Q L/dak ve yük metre cinsindendir, bu yüzden katsayılar m/(L/dak)² kullanır. Bunları m³/s kullanan bir formüle değiştirmeden aktarmayın.

Çıkış yüksekliği z_i [m] ve direnç katsayısı k_i için,

birlikte geçerli olmalıdır. Dalların akışı tersine çevirmediği varsayılır: yetersiz yük q_i=0 verir. Bu, başlangıçtaki hava tahliyesini veya sifonlamayı modellemez.

Yükseklikler farklı olduğunda eşit dal direnci eşit akış vermez. Durum B, bir tıkanıklık gibi artmış direnci soyutlar; gerçek bir tıkanıklık geometrisini tahmin etmez.

Toplam akışın gizlediği değişimler

B'de, üst kat akışı neredeyse yarıya inerken alt ve orta akışlar artar. Azalan ortak akış, manifold yükünü hem pompa eğrisi hem de ortak boru kaybı yoluyla değiştirir. Bir dalı ayarlamak diğerlerini değişmeden bırakmaz.

Diagram 2 · Use the button to switch views

Yatay eksen: alt, orta ve üst katlar. Dikey eksen: L/dak. Tüm çubuklar sentetik model çıktılarıdır, ölçüm değildir.

C toplam akışı korur ancak üst katı beslemez. Sayısal bir çözüm bulmak her katı beslemekten farklıdır. Pozitif akış bile gerçek mahsul gereksinimiyle karşılaştırılmalıdır.

OSU'nun pompa sistemi test kılavuzu, sistem ve pompa performans eğrilerini ayırır. Bu ayrıma dayanarak, bu makale dal akışlarını, manifold basıncını ve rezervuar seviyesini toplam akışla birlikte kaydetmeyi önerir. Tesisat değişiklikleri ve düşen bir rezervuar seviyesi çalışma noktasını değiştirebilir.

Dağılımı ve geri drenajı Python'da yeniden üretin

multitier_flow.py olarak kaydedin ve python3 multitier_flow.py çalıştırın. Yalnızca standart kütüphane gerekir. İkiye bölme, bu sentetik denklemler için monoton bir kalanın sıfırını bulur; bu genel amaçlı bir boru tasarımı yazılımı değildir.

from math import sqrt, isfinite


def solve(heights, resistance):
    # Synthetic steady model: head [m], flow [L/min].
    if not heights or len(heights) != len(resistance):
        raise ValueError("matching nonempty branches required")
    if any(not isfinite(z) or z < 0 for z in heights):
        raise ValueError("finite nonnegative heights required")
    if any(not isfinite(k) or k <= 0 for k in resistance):
        raise ValueError("finite positive resistance required")
    lo, hi = 0.0, 6.0
    for _ in range(80):
        h = (lo + hi) / 2
        flows = [sqrt(max(h-z, 0)/k)
                 for z, k in zip(heights, resistance)]
        if h + 0.025 * sum(flows)**2 > 6:
            hi = h
        else:
            lo = h
    h = (lo + hi) / 2
    flows = [sqrt(max(h-z, 0)/k)
             for z, k in zip(heights, resistance)]
    return h, flows


if __name__ == "__main__":
    cases = {"A": ([1, 2, 3], [0.5, 0.5, 0.5]),
             "B": ([1, 2, 3], [0.5, 0.5, 2.0]),
             "C": ([1, 2, 7], [0.5, 0.5, 0.5])}
    for name, (z, k) in cases.items():
        h, flows = solve(z, k)
        print(name, f"H={h:.3f} m", [round(q, 3) for q in flows],
              f"total={sum(flows):.3f} L/min")
    drainback_l = 12 * 1.5 * 0.08 * 0.005 * 1000 + 2.8
    print(f"drainback={drainback_l:.1f} L; free-space shortfall={drainback_l-8:.1f} L")

Çıktılar tabloyla eşleşir. H, ortak boru kaybından sonraki manifold yüküdür, pompa yükünün kendisi değildir. A'da, pompa yükü yaklaşık 5.022 m iken manifold yükü yaklaşık 4.778 m'dir.

Model kararlı koşulları, sabit rezervuar seviyesini ve sabit direnci varsayar. Emme koşullarını, kavitasyonu, ekipman verimliliğini, su darbesini, sıkışmış havayı ve kökler geliştikçe direnç değişimlerini hariç tutar. Gerçek ekipman, üretici eğrileri ve emme koşullarına karşı ayrı kontroller gerektirir.

Kapanmadan sonra dönen su için alan sağlayın

Tedarik kapasitesi yalnızca bir kontroldür. Rezervuar ayrıca durduktan sonra geri drenajı kabul etmelidir. Drenaj, yalnızca tedarik pompası akışına değil, eğime, kesite, hava yollarına, tıkanıklığa ve çıkış batmasına bağlıdır.

Ayrı bir sentetik örnekte, on iki kanalın her biri 1.5 m uzunluk, 0.08 m ıslak genişlik ve 0.005 m ortalama derinlikte su içerir. Hepsinin döndüğünü varsayın: kanallardan 7.2 L artı borulardan 2.8 L, 10 L verir. Kök yer değiştirmesi ve ayrıntılı geometri bu aritmetik örnekte göz ardı edilir.

Çalışan rezervuarda 8 L boş alan varsa, hesaplanan açık 2 L'dir. Toplam tank kapasitesine değil, çalışma seviyesinin üzerindeki alana karşı karşılaştırın. On litre boş alan doğrulanmış bir tasarım payı değildir; gerçek geri drenaj, yerel taşma ve ölçüm belirsizliği hâlâ değerlendirme gerektirir.

Yeterli rezervuar alanı da, tıkandığında akış aşağısındaki bir toplayıcının taşmasını önlemez. Kapatma geri drenajını ve çalışma drenaj kapasitesini ayrı kontroller olarak kaydedin.

Çok katların eklediği gözlemler

Dozajlama yetkilendirmesine verilen girdi, yalnızca bir pompa-AÇIK sinyalinin ötesinde, gerekli katlara tedariki ve başarılı dönüşü belirlemelidir. Bu kılavuz sentetik bir model ve gözlem planı belirler; boru boyutlarını veya mahsul performansını doğrulamaz. Sırada aeroponik var: sisli köklere giden yol ve nozulların, basıncın ve sisleme aralıklarının rolleri.

CEA aeroponik — sis yollarını, basıncı ve aralıkları ayırın

Islak kökler çalışan bir sisleme sistemini kanıtlamaz

Çok katlı kılavuz, yüksekliğin ve dal direncinin akışı nasıl değiştirdiğini gösterdi. Aeroponik, sürekli bir film yerine damlacık teslim eder. Basınç, tıkanma, damlacık erişimi veya durdurma sonrası yeniden basınçlandırma kontrol edilmediğinde, çalışan bir pompa kök teslimatını kanıtlamaz.

Bu kılavuz bir sis sistemi için gözlem sınırları tanımlar. Nozul modelleri veya mahsule özgü aralıklar önermez. Değerler sentetiktir.

Yolun dört bölümünü ayırın

Diagram 3 · Use the button to switch views

Oklar temsili bir sıvı yolu gösterir. Hava hareketi, buharlaşma ve köklerde tutulan sıvı ayrı gözlemlerdir.

Pompa çıkış basıncını nozul basıncının yerine koymayın

Çıkış basıncı, dallar, filtreler, yükseklik, bağlantı parçaları ve nozullar boyunca değişir. Eşit nozul teslimatı bir varsayımsa, sıra giriş ve uç basıncını nozul başına toplama hacmiyle birlikte kaydedin.

Sentetik q_i=k_i\sqrt{\max(p_i-p_{min},0)} ilişkisini kullanın; burada p kPa, q mL/dak ve k_i sentetik bir katsayıdır. Bu bir üretici eğrisi değildir; yalnızca mevcut basıncın altındaki azalmış teslimatı gösterir.

Farklı k_i değerleri aynı basınçta farklı akış üretir. Bir nozulü değiştirdikten sonra, gerçek sıra yapılandırmasını korurken yeniden kalibre edin. Paralel sıralar, bir nozul tıkandığında diğer sıralardaki basıncı ve akışı değiştirebilir.

Bir aralık bir zamanlayıcıdan fazlasıdır

10 saniye açık, 50 saniye kapalı bir ayar, tutulan su, damlacık erişimi, sıcaklık, nem veya drenaj dönüşü hakkında hiçbir şey söylemez. Bu zaman damgalarını ayrı ayrı kaydedin:

1. Komut başlangıcı ve gerçek pompa başlangıcı.
2. Nozul sırası basıncının çalışma değerine ulaşması.
3. Kök haznesindeki ilk sisleme varışı.
4. Komut durdurma ve doğrulanmış sıfır akış.
5. Başka bir sislemeye izin verilen gözlem zamanı.

Bir durdurma mesajını doğrulanmış sıfır akış olarak ele almayın. Dozajlama yetkilendirmesinde olduğu gibi, yeniden denemeleri üst üste yığmak yerine arızaları bekletin ve nedeni kontrol ettikten sonra açıkça kurtarın.

Sentetik bir nozul sırası hesaplayın

Üç nozule 120 kPa giriş basıncı, 40 kPa asgari çalışma basıncı ve [2.0, 1.8, 1.2] katsayıları verin. Eşit komut süresi eşit nozul hacmi anlamına gelmez.

from math import sqrt

pressure_kpa = 120.0
minimum_kpa = 40.0
coefficients = [2.0, 1.8, 1.2]
flows = [k * sqrt(max(pressure_kpa - minimum_kpa, 0))
         for k in coefficients]
print([round(q, 1) for q in flows])
print(round(sum(flows), 1))
print(f"10 s spray volume = {sum(flows) / 6:.1f} mL")

Çıktı [17.9, 16.1, 10.7], 44.7 mL/dak ve 10 saniyede 7.5 mL'dir. Amaç bu değerleri önermek değil, katsayıları, basıncı ve nozul başına değişimi korumaktır.

İzin ve arıza koşullarını ayrı tutun

Sisleme hacmini, damlacık dağılımını, kök yüzeyi tutulmasını ve geri kazanılan sıvıyı tek bir değişken olarak ele almayın. Bir noktadaki ıslak bir gözlem her nozulü kanıtlayamaz.

Kapsam

Bu kılavuz sıvı yollarını, basınç gözlemlerini ve aralık zaman damgalarını kapsar. Nozul seçimi, damlacık boyutu ölçümü, sanitasyon, kesinti yedeği ve ölçülmüş kök-su tepkisi açık kalır. Sonraki adım, bu sistemler genelinde geri kazanılan çözelti için sanitasyon ve yeniden kullanım sınırıdır.