基于葉-露溫差的輻射霜箱設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究.pdf

1、對(duì)于低溫敏感的某些經(jīng)濟(jì)作物，早春或初冬夜間偶發(fā)的霜凍，往往造成其生長(zhǎng)受阻。進(jìn)行作物霜凍逆境生理研究時(shí)，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(shí)際情況。因此，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一種人工輻射霜箱，對(duì)于此領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)研究，具有重要的實(shí)踐意義。本論文在農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)專項(xiàng)“茶園綜合作業(yè)機(jī)械化技術(shù)與裝備研究”的資助下，觀測(cè)并分析自然界輻射成霜的氣象條件和過(guò)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(jìn)行葉-露溫差仿真；通過(guò)計(jì)算和選型完成人工霜箱的集成研制，并對(duì)其成霜效果進(jìn)行試驗(yàn)研究。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：
　　1)自然界輻射成霜過(guò)程觀測(cè)與分析
　　基于輻射成霜機(jī)理和條件的分析，對(duì)輻射成霜?dú)庀髼l件進(jìn)行觀測(cè)試驗(yàn)，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(wú)風(fēng)、晴朗無(wú)風(fēng)和晴朗有風(fēng)，分別測(cè)定茶冠層風(fēng)速、太陽(yáng)輻射強(qiáng)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(shí)，3次試驗(yàn)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)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(duì)濕度的變化與其溫度變化趨勢(shì)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(dòng)，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(wú)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(wú)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(dòng)態(tài)平衡過(guò)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(guò)程觀

5、測(cè)結(jié)果，對(duì)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(jìn)行結(jié)構(gòu)與功能部件設(shè)計(jì)，并對(duì)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(jìn)行估算，最后通過(guò)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(shí)，葉-露溫差小于-3.0℃，無(wú)法成霜。通過(guò)對(duì)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(duì)基礎(chǔ)制冷裝置進(jìn)行選型與改進(jìn)；對(duì)輻射冷源裝置進(jìn)行制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型，包括裝置熱負(fù)荷的計(jì)算、制冷系統(tǒng)的熱力計(jì)算和制冷機(jī)組的選型；對(duì)人工輻射霜箱的電路部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。最終采用型號(hào)為PH60G0C的壓縮機(jī)(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(yàn)及改進(jìn)
　　對(duì)人工成霜效果進(jìn)行試驗(yàn)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(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果表明，霜箱內(nèi)茶樹(shù)葉片溫度的降溫速率呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)，與自然界輻射霜凍天氣降溫過(guò)程基本相符，且葉片結(jié)霜明顯；但開(kāi)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(guò)程與自然界情況一致，對(duì)其初始2h內(nèi)的降溫速率進(jìn)行改進(jìn)，采用雙因素三水平組合試驗(yàn)分析輻射冷源溫度