基于叶—露温差的辐射霜箱设计及试验研究

发布时间：2020-02-02 06:08

【摘要】：对于低温敏感的某些经济作物,早春或初冬夜间偶发的霜冻,往往造成其生长受阻。进行作物霜冻逆境生理研究时,一般都是在露天自然条件下从田间获取霜冻样本,难于获得各种条件下的霜冻处理。而采用常规的低温培养处理的样本,不符合霜冻的实际情况。因此,设计和开发一种人工辐射霜箱,对于此领域的技术基础研究,具有重要的实践意义。本论文在农业部公益性行业专项“茶园综合作业机械化技术与装备研究”的资助下,观测并分析自然界辐射成霜的气象条件和过程;确定人工辐射霜箱的结构-功能组成等技术要素及主要参数,并进行叶-露温差仿真;通过计算和选型完成人工霜箱的集成研制,并对其成霜效果进行试验研究。主要研究内容和结果如下:1)自然界辐射成霜过程观测与分析基于辐射成霜机理和条件的分析,对辐射成霜气象条件进行观测试验,其中2015年1月26日、2月4日和3月1日晚间天气状况分别为多云无风、晴朗无风和晴朗有风,分别测定茶冠层风速、太阳辐射强度和茶冠层(1.0 m处)温湿度变化,并分析叶片表面的结霜情况。结果表明,16:00-18:00时,3次试验的太阳辐射强度变化基本相似,均从约200W/m2降至0 W/m2,每次平均降幅约为100 W/m2;茶冠层快速降温阶段的降温幅度为3-5℃/h,缓慢降温阶段的降温幅度为0.4-1℃/h;茶冠层相对湿度的变化与其温度变化趋势相反,其快速上升阶段的上升幅度为15%-30%?h-1,缓慢上升阶段的上升幅度为6%-15%?h-1;1月24日叶-露温差最低为-1℃,但受云层影响,温差在0℃与-1℃之间频繁波动,空气中水汽的凝华速率小于霜的升华速率,表现为叶片表面不结霜;2月4日天气晴朗无风,叶-露温差最低为-2.3℃,最终稳定在约-1.1℃,空气中水汽的凝华速率远大于霜的升华速率,表现为叶片表面完全被霜覆盖;3月1日在无风阶段叶-露温差约为-1℃且较为稳定,水汽的凝华速率与霜的升华速率处于动态平衡过程中,表现为结霜现象不明显。2)人工辐射霜箱模型及参数确定依据自然界辐射成霜过程观测结果,对人工辐射霜箱的基础制冷装置、辐射冷源装置和隔离层等主要组件进行结构与功能部件设计,并对装置中辐射冷源温度与隔离层加热功率等主要技术参数进行估算,最后通过叶-露温差的CFD仿真确定最终技术参数。参数估算结果表明,辐射冷源温度和隔离层加热功率理论值分别为-30℃和40W;CFD仿真结果表明,当冷源温度为-30℃时,叶-露温差小于-3.0℃,无法成霜。通过对辐射冷源温度与隔离层加热功率重新选择,确定辐射冷源温度和隔离层加热功率分别为-40℃和50 W。3)人工辐射霜箱研制依据人工辐射霜箱的技术参数,对基础制冷装置进行选型与改进;对辐射冷源装置进行制冷系统设计与选型,包括装置热负荷的计算、制冷系统的热力计算和制冷机组的选型;对人工辐射霜箱的电路部分进行设计。最终采用型号为PH60G0C的压缩机(额定功率345 W,制冷量985 W,能效比2.86),采用翅片管式冷凝器(换热面积2 m2,最大风速8 m/s)。4)人工成霜效果试验及改进对人工成霜效果进行试验分析,包括辐射冷源温度、隔离层内温湿度和基础制冷箱内温湿度的测量。试验结果表明,霜箱内茶树叶片温度的降温速率呈现先快后慢的趋势,与自然界辐射霜冻天气降温过程基本相符,且叶片结霜明显;但开始降温的前0.5 h内,霜箱内叶片的降温速率远大于自然界中的情况。为使人工辐射霜箱中叶片初始2.0 h降温过程与自然界情况一致,对其初始2 h内的降温速率进行改进,采用双因素三水平组合试验分析辐射冷源温度和基础制冷温度综合作用下叶温随时间的变化、辐射冷源温度单独作用下叶温的变化。结果表明,不同基础制冷温度处理对于辐射冷源的辐射降温能力影响不大;在人工辐射霜箱运行1.0 h内,辐射冷源作用下的叶温降低速率与自然界下叶片的降温速率类似,但1.0 h之后叶片温度变化过于缓慢。根据试验结果提出一种合适的温度调节方案并对其进行试验验证,验证结果表明此方案下的叶片降温曲线与自然界叶片理想降温过程基本一致。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S425

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