CN204799282U - 一种使植物叶片表面结霜的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种使植物叶片表面结霜的装置，属于人工模拟环境领域。包括强对流制冷系统、箱体、活体植物和物品架，其特征在于还包括风速调节系统、控制系统、湿度控制系统和辐射制冷系统；通过模拟植物叶片表面结霜时周围空气温度、气流速度、空气湿度和叶子温度的大小，本实用新型可以使植物叶片表面产生不同程度的霜，为植物霜冻害的研究提供了一种装置与方法。
Description
技术领域
本实用新型属于农业气象灾害监测与控制领域，具体涉及模拟植物结霜环境的技术，本实用新型为植物霜冻害试验提供了一种装置与方法。
背景技术
霜冻是我国四大灾害之一，研究植物霜冻机理对减小霜冻危害，提高作物产量具有重要意义，在早春时节容易发生辐射型霜冻，植物叶片表面上经常会有结霜，俗称白霜或辐射霜，白霜会加速植物叶片内细胞破裂的速度，因此不利于植物霜冻的保护，因此研究白霜的生成对于植物霜冻保护具有重要意义。结霜多发生在晴朗无风的夜晚，植物除了与空气对流换热外，还向大气散发热量，所以其体温比气温明显偏低，当叶片温度低于周围空气的霜点时，空气中水汽就会在叶片上凝结，因此可以看出，叶片结霜主要与叶片温度，周围空气温度，空气相对湿度以及周围气流速度大小有关。
限于田间试验周期较长，不确定因素多，季节性明显，而且受地域限制，因此目前常用人工气候箱来模拟霜冻环境，其原理是通过强对流制冷原理，即风道内风机将热空气吸入风道内，通过蒸发器对流换热使空气冷却，再通过风机使冷空气吹入箱体中，由于该装置降温原理与植物结霜机理明显不同，因此并不能是植物结霜。
植物叶片表面结霜的必需条件为植物叶片温度低于周围空气的霜点，因此可以通过辐射制冷的原理实现，国内授权公告号为CN2513043Y的“辐射冷却吊顶的防结露装置”的专利文件介绍了一种辐射冷却吊顶的防结露装置，在吊顶表面设置一层或多层对室内物体辐射光波具有较高透射率的隔离层材料，材料之间以及吊顶表面之间形成与室内空气隔离开的气体或真空夹层，可以防止吊顶表面结露以及形成下降气流，缺点是霜冻环境温度相对于室内建筑环境温度要低很多，空气夹层的热阻并不能防止薄膜夹层的结露或结霜。
罗超等人为研究翅片管式蒸发器结霜性能，建立了结霜性能试验台，在低温工况下，对一小型间冷式制冷装置的蒸发器结霜过程进行了研究，考虑了空气相对湿度、空气流速，制冷剂流量等对蒸发器性能的影响，但其研究对象蒸发器为主动降温，活体植物(5)叶片则是由于辐射换热为被动降温，所以结霜环境不一样，所以此装置并不适用于植物结霜。
美国登记号为H229的专利提出了可以实现样品结霜的一种装置，该装置通过一个调解箱将空气温度与湿度调制到设定值，通入到放置有样品的试验箱中，然后开启箱顶的蒸发器吸收植物发射的长波，但是其箱顶蒸发器容易结霜，制冷效率大大降低，湿度的控制比较复杂，而且箱体中未考虑风速的控制。
澳大利亚H.Marellous设计了一种实现植物结霜的装置，通过对流使箱内空气温度与植物叶片温度降低到设定值，然后打开箱体顶部的蒸发器，不断吸收植物叶片发射的长波能量导致植物叶片温度降低，通过双层薄膜隔离了辐射制冷与对流制冷，空气湿度的控制是通过在箱体中放置冰水混合物，但双层薄膜的设计降低了装置的长波透射性，从而使辐射换热效率降低，另一方面该冰水混合物产生的湿度不可控，造成箱体壁面结霜而影响传热效果，从而造成能源浪费。
现有技术中，没有模拟风速的装置，箱体内的空气相对湿度不可控，因此影响结霜的控制参数不齐全或不可调节，而且参与辐射换热的制冷蒸发器的效率不高，同时造成了能源的浪费。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种使植物叶片表面结霜的装置，通过增加风速调节系统(3)，以实现试验箱(22)内风速的调控；通过湿度控制系统(6)向试验箱(22)内通入湿气，以简化加湿方法而且加湿量可控；通过将辐射蒸发器(73)放置在试验箱(22)底部，达到只使用一层薄膜就可达到辐射换热目的，从而增大蒸发器与植物的辐射换热效率，提高能源利用效率。
为了解决以上技术问题，本实用新型采用的具体技术方案如下：
一种使植物叶片表面结霜的装置，包括强对流制冷系统(1)、箱体(2)、活体植物(5)和物品架(8)，其特征在于还包括：风速调节系统(3)、控制系统(4)、湿度控制系统(6)和辐射制冷系统(7)；所述的强对流制冷系统(1)包括制冷动力组件(11)、出风口(12)、温度传感器(13)、风窗(14)、对流风扇(15)、进风口(16)、强制对流制冷蒸发器(17)和围板(18)，箱体(2)从下到上依次分为动力箱(21)、试验箱(22)和控制箱(23)三个部分，活体植物(5)放置在物品架(8)上，制冷动力组件(11)固定于动力箱(21)内底面，围板(18)与试验箱(22)壁面形成风道夹层；围板(18)上方开有进风口(16)，下方开有出风口(12)，风窗(14)固定于围板(18)上完全笼罩进风口(16)，试验箱(22)内壁面从上到下依次固定有对流风扇(15)与强对流蒸发器(17)，温度传感器(13)位于距活体植物(5)叶片附近5cm以内。
所述的风速调节系统(3)包括调速风扇(31)和风速传感器(32)；调速风扇(31)固定于试验箱(22)内侧壁面，风速传感器(32)位于活体植物叶片10cm以内。
所述的湿度控制系统(6)包括加湿器(61)、加湿管路(62)和湿度传感器(62)；加湿器(61)置于动力箱(21)内底面，加湿管路(62)固定在试验箱(22)内侧壁面，湿度传感器(62)放置在距活体植物(5)叶片附近5cm范围以内。
所述的辐射制冷系统(7)包括对长波具有高透射率的薄膜(71)、干燥剂(72)、辐射制冷蒸发器(73)、保温板(74)和叶子温度传感器(75)；薄膜(71)覆盖在保温板(74)上，干燥剂(72)固定在保温板(74)的内壁面，辐射制冷蒸发器(73)与保温板(74)固定在试验箱(22)内底面，薄膜(71)、保温板(74)与试验箱(22)底部形成密封的空气夹层，薄膜(71)与辐射蒸发器(73)的距离要求为保证薄膜(71)温度大于试验箱(22)内空气的露点温度。
根据所述的一种使植物叶片表面结霜的装置的结霜方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，打开强对流制冷系统(1)，设定目标气温值为T0，将试验箱(22)内气温TA与活体植物(5)叶片温度TL快速降至设定温度T0，保持气温T0不变；
步骤二，启动辐射制冷系统(7)，使活体植物(5)叶片温度TL降低至与试验箱(22)内气温TA之差为设定值T1后，维持温差T1不变；
步骤三，打开风速调节系统(3)，设定风速大小为V0；
步骤四，启动湿度控制系统(6)，加湿持续时间达到设定时间T后，活体植物(5)叶片结霜，关闭湿度控制系统(6)，观察活体植物(5)叶片的表面结霜情况。
所述的风速V0大小范围为0～3m/s；目标气温值T0为-2～0℃；温差T1为2～5℃。
：当观察活体植物叶片上表面结霜，将活体植物(5)倒置于物品架(8)下方；观察活体植物叶片下表面结霜时，将活体植物(5)正置于物品架(8)上方。
本实用新型的原理：在自然界结霜环境中，植物结霜与植物温度、空气温度、空气湿度和气流速度有关；在本实用新型中，植物温度通过辐射制冷系统(7)与植物叶片的热交换来实现，空气温度通过强制对流制冷系统(1)来实现，空气湿度通过湿度控制系统(6)实现，气流速度大小通过风速调节系统(3)实现。
湿度控制系统(6)原理：通过放置在动力箱(21)中的加湿器(63)不断产生水汽，通过加湿器喷嘴(61)通入试验箱(22)中，控制系统(4)通过读取湿度传感器(61)所获得的值与设定目标值对比调节加湿器(63)加湿量。
辐射制冷系统(7)原理：薄膜上结露会导致长波透过率大大降低，所以必须防止薄膜上结露，本实用新型中，由于温度较低的辐射制冷蒸发器(31)在下，温度较高的长波高透射性薄膜(32)在上，二者形成的空气夹层不会形成对流，因此下层冷空气将通过导热形式传递到薄膜(32)一侧，由于空气是热的不良导体，因此薄膜(32)温度理论上可以无限接近试验箱(22)体内空气温度，所以其表面不会结露，
本实用新型的有益效果：,本实用新型装置通过设置强制对流制冷系统(1)、风速调节系统(3)、湿度调节系统(6)和辐射制冷系统(7)，可以控制箱体内空气温度、气流速度大小、空气相对湿度、活体植物(5)叶片表面温度；本实用新型所述的风速调节系统(3)实现了试验箱(22)内风速的调节，所述的湿度控制系统(6)简化了加湿步骤而且湿度可控，所述的辐射制冷系统(7)可以使用一层长波高透射性的薄膜来实现与活体植物(5)叶片的辐射换热，无需使用之前文献所述的双层薄膜加通风系统，提高了辐射换热效率，提高了能源利用效率。
附图说明
图1为本实用新型装置的示意图正视图。
图2为本实用新型装置的示意图左视图。
图3为本实用新型装置的正等测图的局部剖面图。
图中：11制冷动力组件、12出风口、13温度传感器、14风窗、15对流风扇、16进风口、17强制对流制冷蒸发器、18围板、21动力箱、22试验箱、23控制箱、31调速风扇、32风速传感器、4控制系统、5活体植物、61加湿器管路、62湿度传感器、63加湿器、71薄膜、72干燥剂、73辐射制冷蒸发器、74保温板、75叶子温度传感器和8物品架。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方案对本实用新型的装置及方法作进一步详细说明
如图1、图2与图3所示，本实用新型的强制对流制冷系统中的制冷动力组件11为泰康制冷机组，功率298W，出风口12大小为600*40mm，温度传感器13类型为PT1000，风窗14为长宽高为40*600*20mm，上面有5mm圆孔，材料为不锈钢板，通过螺栓固定于围板18之上，风扇15为功率100W的涡流风扇固定于试验箱22内背面，进风口16为直径150mm圆孔，强对流制冷蒸发器17为吹胀式蒸发器固定于试验箱22内背面，围板18长宽为620*1000mm，动力箱21长深宽为620*368*500mm，厚度5mm，材料为钢板，试验箱22长深宽为620*368*1075mm，除底面外其余壁厚50mm，底面壁厚100mm，材料为硬聚氨酯发泡保温材料，控制箱长宽高大小为620*368*100mm，可调风扇功率为10W，通过螺栓连接固定在箱体内侧壁，风速传感器为STF30风速变送器，悬挂在距叶子10cm位置，控制系统为三菱FX2N-32MR-001可编程控制器，放置在控制箱中23，活体植物倒置在物品架上，用塑料袋把盆面上土壤包严密防止掉落在薄膜71上，加湿器63为微波加湿器，放置在动力箱21中，长波高透射率71的薄膜为聚乙烯薄膜，通过胶水粘贴在试验箱22箱壁上，干燥剂72为硅胶干燥颗粒，放置在多孔容器中固定在保温板74上，辐射制冷蒸发器73为吹胀式蒸发器，固定在试验箱22内底部，保温板74为硬聚氨酯发泡材料，叶子温度传感器为XSR2000针式温度传感器，插入到叶子背部叶脉中。
以盆栽茶树为例，目的是使茶树上表面结霜。
茶树结霜试验：
步骤1，打开强对流制冷系统1，设定目标气温值为0℃，将试验箱22内气温TA与活体植物5叶子温度TL快速降至设定温度0℃，保持温度不变；
步骤2，启动辐射制冷系统7，使植物5叶片温度TL降低至与试验箱22内气温TA之差为设定值3℃，维持温差不变；
步骤3，打开风速调节系统3，设定风速大小V0为0.2m/s；
步骤4，启动湿度控制系统6，设置相对湿度为90％，加湿持续时间为10分钟，活体植物5叶片结霜，关闭湿度控制系统6，分析植物叶片结霜情况。
Claims (4)
1.一种使植物叶片表面结霜的装置，包括强对流制冷系统(1)、箱体(2)、活体植物(5)和物品架(8)，其特征在于还包括：风速调节系统(3)、控制系统(4)、湿度控制系统(6)和辐射制冷系统(7)；所述的强对流制冷系统(1)包括制冷动力组件(11)、出风口(12)、温度传感器(13)、风窗(14)、对流风扇(15)、进风口(16)、强制对流制冷蒸发器(17)和围板(18)，箱体(2)从下到上依次分为动力箱(21)、试验箱(22)和控制箱(23)三个部分，活体植物(5)放置在物品架(8)上，制冷动力组件(11)固定于动力箱(21)内底面，围板(18)与试验箱(22)壁面形成风道夹层；围板(18)上方开有进风口(16)，下方开有出风口(12)，风窗(14)固定于围板(18)上完全笼罩进风口(16)，试验箱(22)内壁面从上到下依次固定有对流风扇(15)与强对流蒸发器(17)，温度传感器(13)位于距活体植物(5)叶片附近5cm以内。
2.根据权利要求1所述的一种使植物叶片表面结霜的装置，其特征在于：所述的风速调节系统(3)包括调速风扇(31)和风速传感器(32)；调速风扇(31)固定于试验箱(22)内侧壁面，风速传感器(32)位于活体植物叶片10cm以内。
3.根据权利要求1所述的一种使植物叶片表面结霜的装置，其特征在于：所述的湿度控制系统(6)包括加湿器(61)、加湿管路(62)和湿度传感器(62)；加湿器(61)置于动力箱(21)内底面，加湿管路(62)固定在试验箱(22)内侧壁面，湿度传感器(62)放置在距活体植物(5)叶片附近5cm范围以内。
4.根据权利要求1所述的一种使植物叶片表面结霜的装置，其特征在于：所述的辐射制冷系统(7)包括对长波具有高透射率的薄膜(71)、干燥剂(72)、辐射制冷蒸发器(73)、保温板(74)和叶子温度传感器(75)；薄膜(71)覆盖在保温板(74)上，干燥剂(72)固定在保温板(74)的内壁面，辐射制冷蒸发器(73)与保温板(74)固定在试验箱(22)内底面，薄膜(71)、保温板(74)与试验箱(22)底部形成密封的空气夹层，薄膜(71)与辐射蒸发器(73)的距离要求为保证薄膜(71)温度大于试验箱(22)内空气的露点温度。
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