CO2施肥是大規模連棟溫室番茄長季節栽培不可或缺的生産條件之一。雖然溫室生産中CO2施肥的方式有多種，但目前中國建設生産番茄的大規模連棟溫室中大量使用且經濟有效的CO2施肥方式還是采用以天然氣為燃料的鍋爐熱氣聯供模式，即利用鍋爐加熱過程中燃燒天然氣的尾氣，經檢驗合格後直接導入溫室進行CO2施肥。本文主要總結液态CO2的儲存、氣化和調壓設備，可供溫室設計者參考。

溫室液态CO2供氣系統的組成

一套完整的液态CO2供氣系統一般由液态CO2儲液罐、為長時間保持液态CO2低溫的制冷系統、液态CO2氣化設備、氣态CO2升溫設備、氣态CO2調壓穩壓設備、氣态CO2緩存設備、氣态CO2在溫室内的輸送與布施管道以及各設備間的連接管路與控制設備等。

液态CO2供氣流程示意圖

CO2儲液罐

CO2在常溫常壓下是氣體，要保持其液相狀态必須要保持其始終處于特定的溫度和壓力環境中。儲液罐内保持CO2液态的溫度必須處于-56.6~31.1℃範圍内。保持CO2為液相狀态，除了溫度要求外，尚需要相應的壓力。隻有在溫度低于臨界溫度且壓力高于臨界壓力時，CO2才能保持液相狀态。不同溫度下CO2保持液相的臨界壓力曲線如下圖，随着溫度的升高，對應臨界壓力也不斷增大，因此生産中盡量以低溫狀态儲存CO2。

CO2 液相臨界壓力與溫度

根據液态CO2儲液對溫度和壓力的要求，儲液罐必須具有耐低溫和承受高壓的能力，此外，在材料選擇上還必須具有對CO2的抗腐蝕能力。為此，CO2儲液罐一般采用雙層圓筒形結構，内筒材料為l6MnDR優質合金鋼，外筒材料為Q235B優質碳素鋼。圓筒結構抗壓能力強，雙層中空結構保溫隔熱能力強。為增強筒體的保溫隔熱能力，雙層筒體間層采用高真空珠光砂填充或在筒體外表面進行多層包紮保溫。珠光砂是一種輕質絕熱材料，其松散容重為35~60 kg/m3，壓實容重為45~70 kg/m3，導熱系數為0.022~0.026 W/(m•K)。對筒體間層的真空度要求在5 Pa以下，随儲液罐的容積不同而有變化。

液态 CO2 罐筒體間層真空度要求

CO2儲液罐必須安裝液體進出、氣體進出的管路以及保證安全運行的各種監測和控制設備。其中連接管道包括進液管、排液管、出氣管和回氣管；測控設備包括真空度測控、液位測控、充滿度測控和外殼防爆閥門等。

CO2 儲液罐結構及配套管路

液态CO2罐的常用規格根據有效容積從5~100 m3不等，不同規格的儲液罐的外形參數和重量參見下表。

液态 CO2 罐常用規格

對溫室面積較大或者供應液态CO2不方便的地方，CO2儲液罐一般應配置2台，可以1備1用，也可以在用氣高峰時2台罐同時使用。如果溫室面積較小，或者供應液态CO2的渠道或途徑很方便，也可以配套1台儲液罐，并根據罐體内液位的變化定期或随時向罐體補充液态CO2。

CO2 儲液罐的配置形式

氣化設備

氣化器是将液态CO2加熱相變為氣态CO2的設備。加熱的方式可以是間接的（蒸氣加熱式氣化器、熱水水浴式氣化器、自然通風空浴式氣化器、強制通風式氣化器、電加熱式氣化器、固體導熱式氣化器或傳熱流體），也可以是直接的（熱氣或浸沒燃燒）。在設計和選擇氣化設備前，首先要明确氣化設備的耗熱量，據此來選擇和确定氣化器需要的散熱片數量和/或加熱器功率。

氣化設備耗熱量

将液态CO2氣化為常溫的氣态CO2需要經曆兩個階段：第一階段是将液态CO2氣化為同溫度的低溫氣态CO2；第二階段是将低溫的氣态CO2升溫到常溫。在這兩個階段中，需要外部的總熱量為：

Q=Q1 Q2（1）

式中，Q—CO2從液态氣化到常溫氣體所需要的總熱量（kJ或kcal，1 kJ=0.2389 kcal）；Q1—CO2從液态氣化為同溫度氣态所需要的熱量（kJ或kcal），是氣化的潛熱部分，亦稱氣化潛熱；Q2—低溫的氣态CO2升溫到常溫所需要的熱量（kJ或kcal），是氣化的顯熱部分。氣化需要的潛熱量按照CO2的氣化潛熱可按式（2）計算：

Q1=m×r（2）

式中，m—氣化CO2的質量（kg）；r—單位質量CO2的氣化潛熱（kJ/kg或kcal/kg），不同溫度下CO2的氣化潛熱如圖5，具體取值應按CO2儲液罐的儲液溫度确定，儲液溫度一般取-30~-40℃，相應氣化潛熱在300~320 kJ/kg。

不同溫度下 CO2 汽化潛熱

将氣化後的低溫CO2氣體加熱到常溫，所需要的熱量可按式（3）計算：

不同溫度下 CO2 氣體容重

不同溫度下 CO2 氣體比熱容 不同溫度下 CO2 氣體比熱容

氣化設備選型

目前周年生産番茄等果菜作物的大規模連棟溫室，采用液态CO2供氣的氣化器主要有兩類：空浴式氣化器和水浴式氣化器。

空浴式氣化器

空浴式氣化器是利用空氣對流加熱低溫液态CO2使其氣化成常溫氣體的換熱設備。液态CO2在盤管中流動，吸收空氣中熱量，一方面提高液态CO2的液相溫度，另一方面則是吸收熱量實現CO2相變。由于相變需要的熱量遠大于液相升溫所需要的熱量，所以，在散熱器設計中散熱片的面積可隻按相變需要的氣化潛熱按式（4）進行計算。

式中，F —空浴器散熱片總面積（m2）；K—散熱片傳熱系數[kcal/（m2.h.℃）]，根據散熱器的材料和形式，查閱相關設計手冊或咨詢産品制造企業确定；△T—為空浴器外部空氣溫度與空浴器内CO2之間的溫度差，由于空浴器内CO2的溫度随其在散熱片内的流動不斷在提高，不是一個定值，所以該溫差應按照式（5）的對數溫差法計算：

式中，t 0—氣化器工作期間的室外空氣溫度（℃），為保證換熱的效率，一般要求t 0應大于t 2至少10℃，如果氣化器工作期間的室外溫度較低，應将CO2的氣化分為兩個階段進行，即在低溫氣化的基礎上再增設一個強制加溫的階段或設置緩沖罐進行二次升溫。

由式（4）計算出的散熱片面積除以管道單位長度的表面積，即得到散熱管的總長度。為了加強換熱，換熱管的外側一般都加裝了星形翅片，目前最常用的是8翅片結構，另外還有12翅片和4翅片結構，不同翅片結構傳熱性能的差異表現在傳熱系數K 的不同。

求得散熱管總長後可按流體單程流動的方式，将散熱管分成若幹組，再将多組散熱器組成一套氣化器，如果1套氣化器不能滿足供氣要求時，可配置多套氣化器。

空浴式氣化器

水浴式氣化器

大型連棟溫室CO2供氣系統中使用的水浴式氣化器主要為電加熱氣化器。其作用可分為兩種：一種是加熱液态CO2使之轉化為氣态CO2，直接供溫室使用；另一種是作為空浴式氣化器的補充，将空浴式氣化器氣化後的低溫CO2氣體加熱升溫，使之達到供應溫室要求的溫度，主要應用在CO2液态罐使用期間室外溫度較低的地區。

電熱水浴氣化器

減壓穩壓設備

經過氣化器氣化的氣态CO2為常溫高壓氣體，在接入CO2緩存罐或溫室輸送主管前應配置減壓穩壓閥。溫室CO2供氣系統常用的減壓穩壓閥主要采用自力式調壓閥。一般應設計雙路壓力調節閥，對于可靠度要求不高的溫室工程也可以采用單路壓力調節閥，以節約建設投資。

雙路并聯減壓閥

單路減壓閥

自力式壓力調節閥是由執行器和閥門兩部分組成。執行器是由橡膠薄膜、調節彈簧等零部件組成，調節彈簧主要用來調整壓力參數，和控制的壓力保持平衡。自力式壓力調節閥無需外加能源，利用被調介質自身能量動力源，引入執行機構控制閥芯位置，改變兩端的壓差和流量，使閥前（或閥後）壓力穩定。具有動作靈敏，密封性好，壓力設定點波動小等優點，廣泛應用于氣體、液體及蒸汽介質減壓穩壓或洩壓穩壓的自動控制。

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