一种辐射成霜装置及方法

文档序号:10634878阅读:482来源:国知局
一种辐射成霜装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种辐射成霜装置及方法,属于人工模拟环境领域。传统的辐射成霜装置对制冷压缩机的功率和蒸发压力要求较高,并且当辐射冷源置于隔离层顶部时将增加了辐射成霜装置的结构复杂程度;当辐射冷源置于基础制冷箱底部时,需要将植物倒立。因此需要提出一种结构简单,成本较低的辐射成霜装置。将本发明装置置于较空旷领域,利用晴朗夜空下的大气窗口作为面积无限大的辐射冷源来代替人工辐射冷源,利用隔离层降低箱体内热负荷和保证植物辐射换热效率,使箱体内的植物热量不断散失,最终使植物叶片表面辐射结霜。本发明降低了辐射成霜装置结构的复杂性和装置的开发成本,可应用于植物霜冻研究的成霜。
【专利说明】
一种辐射成霜装置及方法
技术领域
[0001] 本发明属于农业气象灾害监测与控制领域,具体涉及一种辐射成霜装置及方法, 为植物霜冻害试验提供了试验平台。
【背景技术】
[0002] 在我国中高炜度地区,晚春与早秋时期发生的霜冻害多由平流-辐射型霜冻引发, 其特点为冷空气首先侵入造成大范围降温,白天气温明显下降,到晚上天气晴朗并且风速 转小,植物与夜空的辐射型换热非常强烈,导致植物温度进一步降低,当植物温度低于其周 围空气温度时,二者温差大小主要由辐射换热强度决定,另外也与土壤的热通量和空气的 换热系数有关,温差一般为2_5°C,当叶片温度低于周围空气的露点温度且同时低于水的三 相点温度时,空气中水汽将在叶片表面凝结成白霜。
[0003] 在进行低温逆境生理、防霜测控等与霜冻相关的研究中,对于试样霜冻的处理,在 田间很难实现,且不易控制。因此,设计和开发一种人工模拟霜箱,对于此领域的技术基础 研究,具有重要的实践意义。
[0004] 查阅文献可知,Pescode等设计了一种使植物叶片表面结露的装置,结构包括辐射 冷源、基础制冷箱和隔离层,隔离层包括对长波具有高透射率的薄膜和加热丝,辐射冷源放 置于隔离层上表面,植物的辐射长波透过薄膜被辐射冷源吸收从而导致自身热量逐渐散 失,为使基础制冷箱内气温保持稳定,加热丝发热平衡辐射冷源产生的下沉冷空气。基于同 样原理,Marcellos等设计出一种使植物表面结霜的装置,其结构同样包括辐射冷源、基础 制冷箱和隔离层,采用向隔离层内通入常温空气来平衡辐射冷源的下降冷气流,采用干燥 剂防止空气中水汽在薄膜上的冷凝。
[0005] 登记号为H229的美国专利公开了一种使样品结霜的装置,该装置利用初始化装置 将空气温度与湿度初始化至设定值,并将初始化空气通入包含样品的试验箱内,达到使样 品降温的目的,并利用箱顶的辐射冷源吸收植物辐射热量。
[0006] 专利号为201510419812.4的中国专利,公开了 一种使植物叶片表面结霜的装置和 方法,其辐射冷源放置于基础制冷箱体内底面,辐射冷源上方包裹一层高透射率薄膜,二者 之间填充空气,利用空气热传导率较低的特性来防止薄膜的结露,提高了植物辐射波的透 射率。
[0007] 虽然上述装置可实现辐射成霜的目的,但其所述辐射冷源温度较低,约为-40°C, 这对制冷压缩机的功率和蒸发压力均提出了较高的要求,并且当辐射冷源置于隔离层顶部 时,需要采用加热或通风的方式来平衡辐射冷源产生的下降冷气流,又增加了辐射成霜装 置的结构复杂程度;当辐射冷源置于基础制冷箱底部时,需要将植物倒立,不利于植物霜冻 生理特性的研究。因此需要提出一种结构简单,成本较低的辐射成霜装置,为霜冻模拟装置 为植物辐射型霜冻的研究提供试验平台和参考方法。

【发明内容】

[0008] 本发明的目的在于提供一种辐射成霜装置及方法,为植物辐射型霜冻的研究提供 试验平台和参考方法,且简化结构、降低成本。
[0009] -种辐射成霜装置,其特征在于:包括箱体(1)、加湿单元(2)、制冷单元(3)、隔离 层(4)、风机(5)、反射层(6)和控制单元(7);加湿单元(2)布置于箱体(1)底部,制冷单元(3) 独立置于箱体(1)外,隔离层(4)覆盖在箱体(1)上方,风机(5)固定于箱体(1)顶部,反射层 (6)完全贴附箱体(1)的内壁和底面。
[0010] 所述制冷单元(3)包括制冷压缩机(31)、蒸发器(32)、冷凝器(33)和毛细管(34), 蒸发器(32)置于箱体(1)四个内壁,蒸发器(32)出口外接制冷压缩机(31),蒸发器(32)进口 外接毛细管(34);
[0011] 所述隔离层(4)包括主框架(41)和透射层(42),主框架(41)放置于箱体(1)顶部, 主框架(41)外表面被透射层(42)包裹;所述风机(5)布置高度与隔离层(4)顶部高度一致, 出风方向朝向透射层(42)-侧;
[0012] 所述控制单元(7)包括气温传感器(71)、湿度传感器(72)、叶温传感器(73)、风速 传感器(74)和控制器(75),气温传感器(71)、湿度传感器(72)和叶温传感器(73)分别置于 箱体(1)内部,风速传感器(74)固定于风机(5)所在主框架(41)位置的对立一端,气温传感 器(71)、湿度传感器(72)、叶温传感器(73)、风速传感器(74)分别与控制器(75)连接。
[0013] -种辐射成霜方法,其特征在于包括以下步骤:
[0014] 步骤一,选择周围无热源、上空无遮拦的试验场地;
[0015]步骤二,试验天气情况为晴朗无云,并测定可见光强度;
[0016] 步骤三,打开隔离层(4),将试样置于箱体(1)内,将叶片下表面贴附叶温传感器, 叶片周围放置气温传感器(71)和湿度传感器(72),将隔离层(4)重新覆盖于箱体(1)上方, 并做密封处理;
[0017] 步骤四,当可见光强度为〇W/m2时,开启制冷单元(2),达到设定值To之后,开启加湿 单元(2)和风机(5),保持风机(5)风速为Vo,当湿度达到物时,关闭加湿单元(2);
[0018] 步骤五,观察叶片温度Tl和箱体(1)内气温h的差值,当Ml大于AT时,关闭装 置。
[0019] 所述To小于0 °C,所述物大于60 %,所述Vo为5-lOm/s,所述A T大于2 ? 5°C。
[0020] 所述反射层(6)对长波的反射率大于0.8。
[0021]所述透射层(42)对长波的透射率大于0.8。
[0022] 本发明的工作原理:植物辐射的能量在穿过大气层时会被吸收、散射与反射,但在 某些特定波段具有较高透射率,把这些透过率较高的光谱段称为大气窗口,包括微波波段 (0 ? 8-2 ? 5cm),热红外波段(8-14um)、中红外波段(3 ? 5-5 ? 5um)、近紫外、可见光和近红外波 段(0.3-1.3um,l .5-1.9um),根据Wien定律,在典型的福射型霜冻天气下,植物福射能量的 峰值对应波长约为10M1,因此植物辐射能量多数透过大气窗口而散失。
[0023] 为减小周围物体对于植物的辐射热量,试验场地特点应为周围无热源,上空无遮 拦。利用制冷单元(3)将植物温度降低至设定值To,若当晚为晴朗无云天气,则云层对植物 的辐射强度减小,因此植物辐射热量透过大气窗口不断散失,表现为植物叶片温度在To基 础之上进一步降低,当其低于周围空气的露点温度且低于水的三相点温度时,空气中水汽 将在叶片表面凝结成霜。通过在箱体(1)内表面贴附反射层(6),可增大植物与大气窗口的 辐射换热角系数,通过加湿单元(2)水汽含量,可提高植物表面的结霜量。
[0024] 若箱体(1)顶部进行密封不严,则外部较热的空气将进入箱体(1)内部,造成制冷 单元(3)热负荷增大。因此本装置采用隔离层(4)对箱体(1)顶部进行密封。箱体(1)内气温 较低,当隔离层(4)上薄膜温度低于周围空气露点温度时,空气中过饱和水汽将在其表面凝 结为露水,露水对辐射波具有很强的吸收型,不利于植物的辐射散热,因此需要防止上薄膜 表面结露。隔离层(4)上薄膜温度相对于下薄膜温度较高,由传热学理论可知,当较冷表面 在下时,隔离层(4)上下薄膜内空气通过热传导的形式进行传热,而空气的导热性较差,因 此上薄膜温度与外界气温差异较小,并利用风机(5)增大上薄膜与外界空气的换热系数,从 而进一步缩小二者之间差值,从而避免透射层(42)表面结露。
[0025] 本发明具有的有益效果:本发明通过设置制冷单元(3)的制冷温度,使箱体(1)内 的植物维持在设定温度;本发明所述的隔离层(4)可避免其中透射层(42)结露,从而使植物 辐射能量透过大气窗口逐渐散失。本发明方法利用晴朗夜空下的大气窗口作为面积无限大 的辐射冷源来代替人工辐射冷源,使箱体(1)内的植物发射热量不断散失,从而降低了辐射 成霜的难度和装置的开发成本。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明装置的轴测图;
[0027]图2为本发明装置的二维剖视图。
[0028]图中:1箱体、2加湿单元、31制冷压缩机、32蒸发器、33冷凝器和34毛细管、41主框 架、42透射层、5风机、6反射层、71气温传感器、72湿度传感器、73叶温传感器、74风速传感 器、75控制器。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图和具体实施方案对本发明的装置及方法作进一步详细说明
[0030] 图1为本发明的轴测图,本发明的系统组成和结构如图1、图2所示,包括箱体1、加 湿单元2、制冷压缩机31、蒸发器32、冷凝器33和毛细管34、主框架41、透射层42、风机5、反射 层6、气温传感器71、湿度传感器72、叶温传感器73、风速传感器74和控制器75。箱体1内部长 宽高尺寸为4〇 Cm*4〇Cm*61cm,保温材料为环戊烷,加湿单元2为超声波加湿器,制冷压缩机 31为活塞式制冷压缩机(功率750W,制冷剂R600a),蒸发器32和冷凝器33采用翅片管式,植 物采用品种为茂绿的盆栽茶树,主框架41采用实木材料,透射层42采用PE材质的聚乙烯薄 膜,风机5风口尺寸为40cm,反射层6采用镀铝膜,气温传感器71和湿度传感器72选用温湿度 自读记录仪,叶温传感器73选用针型温度传感器,风速传感器74选用三杯式风速传感器,控 制器75选用可编程逻辑控制器。
[0031] 首先选择试验场地,确保试验场地周围无热源且无明显遮拦物,之后查阅试验当 日天气情况是否为晴朗无云;于试验当日利用照度仪对可见光强度进行测量,当可见光强 度降低至〇W/m2时,打开隔离层4,将植物放入箱体1底部,并将隔离层4重新覆盖于箱体1上 方,并将其与箱体1连接处进行密封处理;将箱体1内植物叶片温度设置为〇°C,开启制冷压 缩机31,当箱体1内叶温达到0°C之后,设置箱体1内相对湿度为90%,并开启加湿器2,将风 速设置为5m/s,并开启风机5;观察叶片温度Tl和箱体1内气温h的差值,当Ml大于3°C时, 关闭加湿器2、制冷压缩机31和风机5,并观察叶片表面结霜情况。
【主权项】
1. 一种辐射成霜装置,其特征在于:包括箱体(1)、加湿单元(2)、制冷单元(3)、隔离层 (4)、风机(5)、反射层(6)和控制单元(7);加湿单元(2)布置于箱体(1)底部,制冷单元(3)独 立置于箱体(1)外,隔离层(4)覆盖在箱体(1)上方,风机(5)固定于箱体(1)顶部,反射层(6) 完全贴附箱体(1)的内壁和底面。2. 根据权利要求1所述的一种辐射成霜装置,其特征在于:所述制冷单元(3)包括制冷 压缩机(31)、蒸发器(32)、冷凝器(33)和毛细管(34),蒸发器(32)置于箱体(1)四个内壁, 蒸发器(32)出口外接制冷压缩机(31),蒸发器(32)进口外接毛细管(34); 所述隔离层(4)包括主框架(41)和透射层(42),主框架(41)放置于箱体(1)顶部,主框 架(41)外表面被透射层(42)包裹;所述风机(5)布置高度与隔离层(4)顶部高度一致,出风 方向朝向透射层(42)-侧; 所述控制单元(7)包括气温传感器(71)、湿度传感器(72)、叶温传感器(73)、风速传感 器(74)和控制器(75),气温传感器(71)、湿度传感器(72)和叶温传感器(73)分别置于箱体 (1)内部,风速传感器(74)固定于风机(5)所在主框架(41)位置的对立一端,气温传感器 (71)、湿度传感器(72)、叶温传感器(73)、风速传感器(74)分别与控制器(75)连接。3. 利用如权利要求1或2所述的一种辐射成霜装置的辐射成霜方法,其特征在于包括以 下步骤: 步骤一,选择周围无热源、上空无遮拦的试验场地; 步骤二,试验天气情况为晴朗无云,并测定可见光强度; 步骤三,打开隔离层(4),将试样置于箱体(1)内,将叶片下表面贴附叶温传感器,叶片 周围放置气温传感器(71)和湿度传感器(72),将隔离层(4)重新覆盖于箱体(1)上方,并做 密封处理; 步骤四,当可见光强度为0 W/m2时,开启制冷单元(2),达到设定值To之后,开启加湿单 元(2)和风机(5),保持风机(5)风速为V〇,当湿度达到Φ〇时,关闭加湿单元(2); 步骤五,观察叶片温度TL和箱体(1)内气温Ti的差值,当Ml大于ΔΤ时,关闭装置。4. 根据权利要求3所述的一种辐射成霜方法,其特征在于所述To小于0°C,所述Φο大于 60%,所述Vo为5-10m/s,所述 Δ Τ大于2.5 °C。5. 根据权利要求2所述的一种辐射成霜装置,其特征在于:所述反射层(6)对长波的反 射率大于0.8。6. 根据权利要2所述的一种辐射成霜装置,其特征在于所述透射层(42)对长波的透射 率大于0.8。
【文档编号】B01L1/00GK106000482SQ201610393670
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月3日
【发明人】胡永光, 田金涛, 鹿永宗, 李建钢, 杨叶成
【申请人】江苏大学
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