基于葉-露溫差的輻射霜箱設(shè)計及試驗研究.pdf

1、對于低溫敏感的某些經(jīng)濟作物，早春或初冬夜間偶發(fā)的霜凍，往往造成其生長受阻。進行作物霜凍逆境生理研究時，一般都是在露天自然條件下從田間獲取霜凍樣本，難于獲得各種條件下的霜凍處理。而采用常規(guī)的低溫培養(yǎng)處理的樣本，不符合霜凍的實際情況。因此，設(shè)計和開發(fā)一種人工輻射霜箱，對于此領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)研究，具有重要的實踐意義。本論文在農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)專項“茶園綜合作業(yè)機械化技術(shù)與裝備研究”的資助下，觀測并分析自然界輻射成霜的氣象條件和過程；確定人工輻射霜

2、箱的結(jié)構(gòu)-功能組成等技術(shù)要素及主要參數(shù)，并進行葉-露溫差仿真；通過計算和選型完成人工霜箱的集成研制，并對其成霜效果進行試驗研究。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　1)自然界輻射成霜過程觀測與分析
　　基于輻射成霜機理和條件的分析，對輻射成霜氣象條件進行觀測試驗，其中2015年1月26日、2月4日和3月1日晚間天氣狀況分別為多云無風(fēng)、晴朗無風(fēng)和晴朗有風(fēng)，分別測定茶冠層風(fēng)速、太陽輻射強度和茶冠層（1.0 m處）溫濕度變化，并分析葉片

3、表面的結(jié)霜情況。
　　結(jié)果表明，16:00-18:00時，3次試驗的太陽輻射強度變化基本相似，均從約200 W/m2降至0 W/m2，每次平均降幅約為100W/m2；茶冠層快速降溫階段的降溫幅度為3-5℃/h，緩慢降溫階段的降溫幅度為0.4-1℃/h；茶冠層相對濕度的變化與其溫度變化趨勢相反，其快速上升階段的上升幅度為15％-30%? h-1，緩慢上升階段的上升幅度為6%-15%? h-1；1月24日葉-露溫差最低為-1℃，但受云

4、層影響，溫差在0℃與-1℃之間頻繁波動，空氣中水汽的凝華速率小于霜的升華速率，表現(xiàn)為葉片表面不結(jié)霜；2月4日天氣晴朗無風(fēng)，葉-露溫差最低為-2.3℃，最終穩(wěn)定在約-1.1℃，空氣中水汽的凝華速率遠(yuǎn)大于霜的升華速率，表現(xiàn)為葉片表面完全被霜覆蓋；3月1日在無風(fēng)階段葉-露溫差約為-1℃且較為穩(wěn)定，水汽的凝華速率與霜的升華速率處于動態(tài)平衡過程中，表現(xiàn)為結(jié)霜現(xiàn)象不明顯。
　　2)人工輻射霜箱模型及參數(shù)確定
　　依據(jù)自然界輻射成霜過程觀

5、測結(jié)果，對人工輻射霜箱的基礎(chǔ)制冷裝置、輻射冷源裝置和隔離層等主要組件進行結(jié)構(gòu)與功能部件設(shè)計，并對裝置中輻射冷源溫度與隔離層加熱功率等主要技術(shù)參數(shù)進行估算，最后通過葉-露溫差的CFD仿真確定最終技術(shù)參數(shù)。
　　參數(shù)估算結(jié)果表明，輻射冷源溫度和隔離層加熱功率理論值分別為-30℃和40 W；CFD仿真結(jié)果表明，當(dāng)冷源溫度為-30℃時，葉-露溫差小于-3.0℃，無法成霜。通過對輻射冷源溫度與隔離層加熱功率重新選擇，確定輻射冷源溫度和隔離層

6、加熱功率分別為-40℃和50 W。
　　3)人工輻射霜箱研制
　　依據(jù)人工輻射霜箱的技術(shù)參數(shù)，對基礎(chǔ)制冷裝置進行選型與改進；對輻射冷源裝置進行制冷系統(tǒng)設(shè)計與選型，包括裝置熱負(fù)荷的計算、制冷系統(tǒng)的熱力計算和制冷機組的選型；對人工輻射霜箱的電路部分進行設(shè)計。最終采用型號為PH60G0C的壓縮機(額定功率345 W，制冷量985 W，能效比2.86)，采用翅片管式冷凝器(換熱面積2 m2，最大風(fēng)速8 m/s)。
　　4)人工

7、成霜效果試驗及改進
　　對人工成霜效果進行試驗分析，包括輻射冷源溫度、隔離層內(nèi)溫濕度和基礎(chǔ)制冷箱內(nèi)溫濕度的測量。試驗結(jié)果表明，霜箱內(nèi)茶樹葉片溫度的降溫速率呈現(xiàn)先快后慢的趨勢，與自然界輻射霜凍天氣降溫過程基本相符，且葉片結(jié)霜明顯；但開始降溫的前0.5 h內(nèi)，霜箱內(nèi)葉片的降溫速率遠(yuǎn)大于自然界中的情況。為使人工輻射霜箱中葉片初始2.0 h降溫過程與自然界情況一致，對其初始2h內(nèi)的降溫速率進行改進，采用雙因素三水平組合試驗分析輻射冷源溫度