一種輻射成霜裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種輻射成霜裝置及方法，屬于人工模擬環(huán)境領(lǐng)域。傳統(tǒng)的輻射成霜裝置對(duì)制冷壓縮機(jī)的功率和蒸發(fā)壓力要求較高，并且當(dāng)輻射冷源置于隔離層頂部時(shí)將增加了輻射成霜裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度；當(dāng)輻射冷源置于基礎(chǔ)制冷箱底部時(shí)，需要將植物倒立。因此需要提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低的輻射成霜裝置。將本發(fā)明裝置置于較空曠領(lǐng)域，利用晴朗夜空下的大氣窗口作為面積無限大的輻射冷源來代替人工輻射冷源，利用隔離層降低箱體內(nèi)熱負(fù)荷和保證植物輻射換熱效率，使箱體內(nèi)的植物熱量不斷散失，最終使植物葉片表面輻射結(jié)霜。本發(fā)明降低了輻射成霜裝置結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和裝置的開發(fā)成本，可應(yīng)用于植物霜凍研究的成霜。
【專利說明】
一種輻射成霜裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)與控制領(lǐng)域，具體涉及一種輻射成霜裝置及方法， 為植物霜凍害試驗(yàn)提供了試驗(yàn)平臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在我國中高煒度地區(qū)，晚春與早秋時(shí)期發(fā)生的霜凍害多由平流-輻射型霜凍引發(fā)， 其特點(diǎn)為冷空氣首先侵入造成大范圍降溫，白天氣溫明顯下降，到晚上天氣晴朗并且風(fēng)速 轉(zhuǎn)小，植物與夜空的輻射型換熱非常強(qiáng)烈，導(dǎo)致植物溫度進(jìn)一步降低，當(dāng)植物溫度低于其周 圍空氣溫度時(shí)，二者溫差大小主要由輻射換熱強(qiáng)度決定，另外也與土壤的熱通量和空氣的 換熱系數(shù)有關(guān)，溫差一般為2_5°C，當(dāng)葉片溫度低于周圍空氣的露點(diǎn)溫度且同時(shí)低于水的三 相點(diǎn)溫度時(shí)，空氣中水汽將在葉片表面凝結(jié)成白霜。
[0003] 在進(jìn)行低溫逆境生理、防霜測(cè)控等與霜凍相關(guān)的研究中，對(duì)于試樣霜凍的處理，在 田間很難實(shí)現(xiàn)，且不易控制。因此，設(shè)計(jì)和開發(fā)一種人工模擬霜箱，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。
[0004] 查閱文獻(xiàn)可知，Pescode等設(shè)計(jì)了一種使植物葉片表面結(jié)露的裝置，結(jié)構(gòu)包括輻射 冷源、基礎(chǔ)制冷箱和隔離層，隔離層包括對(duì)長(zhǎng)波具有高透射率的薄膜和加熱絲，輻射冷源放 置于隔離層上表面，植物的輻射長(zhǎng)波透過薄膜被輻射冷源吸收從而導(dǎo)致自身熱量逐漸散 失，為使基礎(chǔ)制冷箱內(nèi)氣溫保持穩(wěn)定，加熱絲發(fā)熱平衡輻射冷源產(chǎn)生的下沉冷空氣?；谕?樣原理，Marcellos等設(shè)計(jì)出一種使植物表面結(jié)霜的裝置，其結(jié)構(gòu)同樣包括輻射冷源、基礎(chǔ) 制冷箱和隔離層，采用向隔離層內(nèi)通入常溫空氣來平衡輻射冷源的下降冷氣流，采用干燥 劑防止空氣中水汽在薄膜上的冷凝。
[0005] 登記號(hào)為H229的美國專利公開了一種使樣品結(jié)霜的裝置，該裝置利用初始化裝置 將空氣溫度與濕度初始化至設(shè)定值，并將初始化空氣通入包含樣品的試驗(yàn)箱內(nèi)，達(dá)到使樣 品降溫的目的，并利用箱頂?shù)妮椛淅湓次罩参镙椛錈崃俊?br>[0006] 專利號(hào)為201510419812.4的中國專利，公開了 一種使植物葉片表面結(jié)霜的裝置和 方法，其輻射冷源放置于基礎(chǔ)制冷箱體內(nèi)底面，輻射冷源上方包裹一層高透射率薄膜，二者 之間填充空氣，利用空氣熱傳導(dǎo)率較低的特性來防止薄膜的結(jié)露，提高了植物輻射波的透 射率。
[0007] 雖然上述裝置可實(shí)現(xiàn)輻射成霜的目的，但其所述輻射冷源溫度較低，約為-40°C， 這對(duì)制冷壓縮機(jī)的功率和蒸發(fā)壓力均提出了較高的要求，并且當(dāng)輻射冷源置于隔離層頂部 時(shí)，需要采用加熱或通風(fēng)的方式來平衡輻射冷源產(chǎn)生的下降冷氣流，又增加了輻射成霜裝 置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度；當(dāng)輻射冷源置于基礎(chǔ)制冷箱底部時(shí)，需要將植物倒立，不利于植物霜凍 生理特性的研究。因此需要提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低的輻射成霜裝置，為霜凍模擬裝置 為植物輻射型霜凍的研究提供試驗(yàn)平臺(tái)和參考方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種輻射成霜裝置及方法，為植物輻射型霜凍的研究提供 試驗(yàn)平臺(tái)和參考方法，且簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本。
[0009] -種輻射成霜裝置，其特征在于:包括箱體（1)、加濕單元(2)、制冷單元(3)、隔離 層(4)、風(fēng)機(jī)(5)、反射層(6)和控制單元(7);加濕單元(2)布置于箱體(1)底部，制冷單元(3) 獨(dú)立置于箱體（1)外，隔離層(4)覆蓋在箱體（1)上方，風(fēng)機(jī)(5)固定于箱體（1)頂部，反射層 (6)完全貼附箱體(1)的內(nèi)壁和底面。
[0010] 所述制冷單元(3)包括制冷壓縮機(jī)(31)、蒸發(fā)器(32)、冷凝器(33)和毛細(xì)管（34)， 蒸發(fā)器(32)置于箱體(1)四個(gè)內(nèi)壁，蒸發(fā)器(32)出口外接制冷壓縮機(jī)(31)，蒸發(fā)器(32)進(jìn)口 外接毛細(xì)管(34);
[0011] 所述隔離層(4)包括主框架(41)和透射層(42)，主框架(41)放置于箱體（1)頂部， 主框架(41)外表面被透射層(42)包裹;所述風(fēng)機(jī)(5)布置高度與隔離層(4)頂部高度一致， 出風(fēng)方向朝向透射層(42)-側(cè)；
[0012] 所述控制單元(7)包括氣溫傳感器(71)、濕度傳感器(72)、葉溫傳感器(73)、風(fēng)速 傳感器(74)和控制器(75)，氣溫傳感器(71)、濕度傳感器(72)和葉溫傳感器(73)分別置于 箱體（1)內(nèi)部，風(fēng)速傳感器(74)固定于風(fēng)機(jī)(5)所在主框架(41)位置的對(duì)立一端，氣溫傳感 器(71)、濕度傳感器(72)、葉溫傳感器(73)、風(fēng)速傳感器(74)分別與控制器(75)連接。
[0013] -種輻射成霜方法，其特征在于包括以下步驟：
[0014] 步驟一，選擇周圍無熱源、上空無遮攔的試驗(yàn)場(chǎng)地；
[0015]步驟二，試驗(yàn)天氣情況為晴朗無云，并測(cè)定可見光強(qiáng)度；
[0016] 步驟三，打開隔離層(4)，將試樣置于箱體（1)內(nèi)，將葉片下表面貼附葉溫傳感器， 葉片周圍放置氣溫傳感器(71)和濕度傳感器(72)，將隔離層(4)重新覆蓋于箱體（1)上方， 并做密封處理；
[0017] 步驟四，當(dāng)可見光強(qiáng)度為〇W/m2時(shí)，開啟制冷單元(2)，達(dá)到設(shè)定值To之后，開啟加濕 單元(2)和風(fēng)機(jī)(5)，保持風(fēng)機(jī)(5)風(fēng)速為Vo,當(dāng)濕度達(dá)到物時(shí)，關(guān)閉加濕單元(2);
[0018] 步驟五，觀察葉片溫度Tl和箱體（1)內(nèi)氣溫h的差值，當(dāng)Ml大于AT時(shí)，關(guān)閉裝 置。
[0019] 所述To小于0 °C，所述物大于60 %，所述Vo為5-lOm/s，所述A T大于2 ? 5°C。
[0020] 所述反射層(6)對(duì)長(zhǎng)波的反射率大于0.8。
[0021]所述透射層(42)對(duì)長(zhǎng)波的透射率大于0.8。
[0022] 本發(fā)明的工作原理:植物輻射的能量在穿過大氣層時(shí)會(huì)被吸收、散射與反射，但在 某些特定波段具有較高透射率，把這些透過率較高的光譜段稱為大氣窗口，包括微波波段 (0 ? 8-2 ? 5cm)，熱紅外波段(8-14um)、中紅外波段(3 ? 5-5 ? 5um)、近紫外、可見光和近紅外波 段(0.3-1.3um，l .5-1.9um)，根據(jù)Wien定律，在典型的福射型霜凍天氣下，植物福射能量的 峰值對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)約為10M1，因此植物輻射能量多數(shù)透過大氣窗口而散失。
[0023] 為減小周圍物體對(duì)于植物的輻射熱量，試驗(yàn)場(chǎng)地特點(diǎn)應(yīng)為周圍無熱源，上空無遮 攔。利用制冷單元(3)將植物溫度降低至設(shè)定值To,若當(dāng)晚為晴朗無云天氣，則云層對(duì)植物 的輻射強(qiáng)度減小，因此植物輻射熱量透過大氣窗口不斷散失，表現(xiàn)為植物葉片溫度在To基 礎(chǔ)之上進(jìn)一步降低，當(dāng)其低于周圍空氣的露點(diǎn)溫度且低于水的三相點(diǎn)溫度時(shí)，空氣中水汽 將在葉片表面凝結(jié)成霜。通過在箱體（1)內(nèi)表面貼附反射層(6)，可增大植物與大氣窗口的 輻射換熱角系數(shù)，通過加濕單元(2)水汽含量，可提高植物表面的結(jié)霜量。
[0024] 若箱體（1)頂部進(jìn)行密封不嚴(yán)，則外部較熱的空氣將進(jìn)入箱體（1)內(nèi)部，造成制冷 單元(3)熱負(fù)荷增大。因此本裝置采用隔離層(4)對(duì)箱體（1)頂部進(jìn)行密封。箱體（1)內(nèi)氣溫 較低，當(dāng)隔離層(4)上薄膜溫度低于周圍空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，空氣中過飽和水汽將在其表面凝 結(jié)為露水，露水對(duì)輻射波具有很強(qiáng)的吸收型，不利于植物的輻射散熱，因此需要防止上薄膜 表面結(jié)露。隔離層(4)上薄膜溫度相對(duì)于下薄膜溫度較高，由傳熱學(xué)理論可知，當(dāng)較冷表面 在下時(shí)，隔離層(4)上下薄膜內(nèi)空氣通過熱傳導(dǎo)的形式進(jìn)行傳熱，而空氣的導(dǎo)熱性較差，因 此上薄膜溫度與外界氣溫差異較小，并利用風(fēng)機(jī)(5)增大上薄膜與外界空氣的換熱系數(shù)，從 而進(jìn)一步縮小二者之間差值，從而避免透射層(42)表面結(jié)露。
[0025] 本發(fā)明具有的有益效果:本發(fā)明通過設(shè)置制冷單元(3)的制冷溫度，使箱體（1)內(nèi) 的植物維持在設(shè)定溫度;本發(fā)明所述的隔離層(4)可避免其中透射層(42)結(jié)露，從而使植物 輻射能量透過大氣窗口逐漸散失。本發(fā)明方法利用晴朗夜空下的大氣窗口作為面積無限大 的輻射冷源來代替人工輻射冷源，使箱體(1)內(nèi)的植物發(fā)射熱量不斷散失，從而降低了輻射 成霜的難度和裝置的開發(fā)成本。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明裝置的軸測(cè)圖；
[0027]圖2為本發(fā)明裝置的二維剖視圖。
[0028]圖中：1箱體、2加濕單元、31制冷壓縮機(jī)、32蒸發(fā)器、33冷凝器和34毛細(xì)管、41主框 架、42透射層、5風(fēng)機(jī)、6反射層、71氣溫傳感器、72濕度傳感器、73葉溫傳感器、74風(fēng)速傳感 器、75控制器。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明的裝置及方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明
[0030] 圖1為本發(fā)明的軸測(cè)圖，本發(fā)明的系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，包括箱體1、加 濕單元2、制冷壓縮機(jī)31、蒸發(fā)器32、冷凝器33和毛細(xì)管34、主框架41、透射層42、風(fēng)機(jī)5、反射 層6、氣溫傳感器71、濕度傳感器72、葉溫傳感器73、風(fēng)速傳感器74和控制器75。箱體1內(nèi)部長(zhǎng) 寬高尺寸為4〇 Cm*4〇Cm*61cm，保溫材料為環(huán)戊烷，加濕單元2為超聲波加濕器，制冷壓縮機(jī) 31為活塞式制冷壓縮機(jī)(功率750W，制冷劑R600a)，蒸發(fā)器32和冷凝器33采用翅片管式，植 物采用品種為茂綠的盆栽茶樹，主框架41采用實(shí)木材料，透射層42采用PE材質(zhì)的聚乙烯薄 膜，風(fēng)機(jī)5風(fēng)口尺寸為40cm，反射層6采用鍍鋁膜，氣溫傳感器71和濕度傳感器72選用溫濕度 自讀記錄儀，葉溫傳感器73選用針型溫度傳感器，風(fēng)速傳感器74選用三杯式風(fēng)速傳感器，控 制器75選用可編程邏輯控制器。
[0031] 首先選擇試驗(yàn)場(chǎng)地，確保試驗(yàn)場(chǎng)地周圍無熱源且無明顯遮攔物，之后查閱試驗(yàn)當(dāng) 日天氣情況是否為晴朗無云；于試驗(yàn)當(dāng)日利用照度儀對(duì)可見光強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)可見光強(qiáng) 度降低至〇W/m2時(shí)，打開隔離層4,將植物放入箱體1底部，并將隔離層4重新覆蓋于箱體1上 方，并將其與箱體1連接處進(jìn)行密封處理;將箱體1內(nèi)植物葉片溫度設(shè)置為〇°C，開啟制冷壓 縮機(jī)31，當(dāng)箱體1內(nèi)葉溫達(dá)到0°C之后，設(shè)置箱體1內(nèi)相對(duì)濕度為90%，并開啟加濕器2,將風(fēng) 速設(shè)置為5m/s，并開啟風(fēng)機(jī)5;觀察葉片溫度Tl和箱體1內(nèi)氣溫h的差值，當(dāng)Ml大于3°C時(shí)， 關(guān)閉加濕器2、制冷壓縮機(jī)31和風(fēng)機(jī)5,并觀察葉片表面結(jié)霜情況。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種輻射成霜裝置，其特征在于:包括箱體（1)、加濕單元(2)、制冷單元(3)、隔離層 (4)、風(fēng)機(jī)(5)、反射層(6)和控制單元(7);加濕單元(2)布置于箱體(1)底部，制冷單元(3)獨(dú) 立置于箱體(1)外，隔離層(4)覆蓋在箱體(1)上方，風(fēng)機(jī)(5)固定于箱體(1)頂部，反射層(6) 完全貼附箱體(1)的內(nèi)壁和底面。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輻射成霜裝置，其特征在于:所述制冷單元(3)包括制冷 壓縮機(jī)(31)、蒸發(fā)器(32)、冷凝器(33)和毛細(xì)管（34)，蒸發(fā)器(32)置于箱體（1)四個(gè)內(nèi)壁， 蒸發(fā)器(32)出口外接制冷壓縮機(jī)(31)，蒸發(fā)器(32)進(jìn)口外接毛細(xì)管(34); 所述隔離層(4)包括主框架(41)和透射層(42)，主框架(41)放置于箱體（1)頂部，主框 架(41)外表面被透射層(42)包裹;所述風(fēng)機(jī)(5)布置高度與隔離層(4)頂部高度一致，出風(fēng) 方向朝向透射層(42)-側(cè)； 所述控制單元(7)包括氣溫傳感器(71)、濕度傳感器(72)、葉溫傳感器(73)、風(fēng)速傳感 器(74)和控制器(75)，氣溫傳感器(71)、濕度傳感器(72)和葉溫傳感器(73)分別置于箱體 (1)內(nèi)部，風(fēng)速傳感器（74)固定于風(fēng)機(jī)（5)所在主框架（41)位置的對(duì)立一端，氣溫傳感器 (71)、濕度傳感器(72)、葉溫傳感器(73)、風(fēng)速傳感器(74)分別與控制器(75)連接。3. 利用如權(quán)利要求1或2所述的一種輻射成霜裝置的輻射成霜方法，其特征在于包括以 下步驟： 步驟一，選擇周圍無熱源、上空無遮攔的試驗(yàn)場(chǎng)地； 步驟二，試驗(yàn)天氣情況為晴朗無云，并測(cè)定可見光強(qiáng)度； 步驟三，打開隔離層(4)，將試樣置于箱體（1)內(nèi)，將葉片下表面貼附葉溫傳感器，葉片 周圍放置氣溫傳感器(71)和濕度傳感器(72)，將隔離層(4)重新覆蓋于箱體（1)上方，并做 密封處理； 步驟四，當(dāng)可見光強(qiáng)度為0 W/m2時(shí)，開啟制冷單元(2)，達(dá)到設(shè)定值To之后，開啟加濕單 元(2)和風(fēng)機(jī)(5)，保持風(fēng)機(jī)(5)風(fēng)速為V〇,當(dāng)濕度達(dá)到Φ〇時(shí)，關(guān)閉加濕單元(2); 步驟五，觀察葉片溫度TL和箱體(1)內(nèi)氣溫Ti的差值，當(dāng)Ml大于ΔΤ時(shí)，關(guān)閉裝置。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種輻射成霜方法，其特征在于所述To小于0°C，所述Φο大于 60%，所述Vo為5-10m/s，所述 Δ Τ大于2.5 °C。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種輻射成霜裝置，其特征在于:所述反射層(6)對(duì)長(zhǎng)波的反 射率大于0.8。6. 根據(jù)權(quán)利要2所述的一種輻射成霜裝置，其特征在于所述透射層(42)對(duì)長(zhǎng)波的透射 率大于0.8。
【文檔編號(hào)】B01L1/00GK106000482SQ201610393670
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月3日
【發(fā)明人】胡永光, 田金濤, 鹿永宗, 李建鋼, 楊葉成
【申請(qǐng)人】江蘇大學(xué)