一種使植物葉片表面結(jié)霜的裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測與控制領(lǐng)域，具體涉及模擬植物結(jié)霜環(huán)境的技術(shù)，本發(fā)明為植物霜凍害試驗(yàn)提供了一種裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]霜凍是我國四大災(zāi)害之一，研究植物霜凍機(jī)理對減小霜凍危害，提高作物產(chǎn)量具有重要意義，在早春時(shí)節(jié)容易發(fā)生輻射型霜凍，植物葉片表面上經(jīng)常會(huì)有結(jié)霜，俗稱白霜或輻射霜，白霜會(huì)加速植物葉片內(nèi)細(xì)胞破裂的速度，因此不利于植物霜凍的保護(hù)，因此研究白霜的生成對于植物霜凍保護(hù)具有重要意義。結(jié)霜多發(fā)生在晴朗無風(fēng)的夜晚，植物除了與空氣對流換熱外，還向大氣散發(fā)熱量，所以其體溫比氣溫明顯偏低，當(dāng)葉片溫度低于周圍空氣的霜點(diǎn)時(shí)，空氣中水汽就會(huì)在葉片上凝結(jié)，因此可以看出，葉片結(jié)霜主要與葉片溫度，周圍空氣溫度，空氣相對濕度以及周圍氣流速度大小有關(guān)。
[0003]限于田間試驗(yàn)周期較長，不確定因素多，季節(jié)性明顯，而且受地域限制，因此目前常用人工氣候箱來模擬霜凍環(huán)境，其原理是通過強(qiáng)對流制冷原理，即風(fēng)道內(nèi)風(fēng)機(jī)將熱空氣吸入風(fēng)道內(nèi)，通過蒸發(fā)器對流換熱使空氣冷卻，再通過風(fēng)機(jī)使冷空氣吹入箱體中，由于該裝置降溫原理與植物結(jié)霜機(jī)理明顯不同，因此并不能是植物結(jié)霜。
[0004]植物葉片表面結(jié)霜的必需條件為植物葉片溫度低于周圍空氣的霜點(diǎn)，因此可以通過輻射制冷的原理實(shí)現(xiàn)，國內(nèi)授權(quán)公告號為CN 2513043Y的“輻射冷卻吊頂?shù)姆澜Y(jié)露裝置”的專利文件介紹了一種輻射冷卻吊頂?shù)姆澜Y(jié)露裝置，在吊頂表面設(shè)置一層或多層對室內(nèi)物體輻射光波具有較高透射率的隔離層材料，材料之間以及吊頂表面之間形成與室內(nèi)空氣隔離開的氣體或真空夾層，可以防止吊頂表面結(jié)露以及形成下降氣流，缺點(diǎn)是霜凍環(huán)境溫度相對于室內(nèi)建筑環(huán)境溫度要低很多，空氣夾層的熱阻并不能防止薄膜夾層的結(jié)露或結(jié)霜。
[0005]羅超等人為研究翅片管式蒸發(fā)器結(jié)霜性能，建立了結(jié)霜性能試驗(yàn)臺，在低溫工況下，對一小型間冷式制冷裝置的蒸發(fā)器結(jié)霜過程進(jìn)行了研究，考慮了空氣相對濕度、空氣流速，制冷劑流量等對蒸發(fā)器性能的影響，但其研究對象蒸發(fā)器為主動(dòng)降溫，活體植物(5)葉片則是由于輻射換熱為被動(dòng)降溫，所以結(jié)霜環(huán)境不一樣，所以此裝置并不適用于植物結(jié)霜。
[0006]美國登記號為H229的專利提出了可以實(shí)現(xiàn)樣品結(jié)霜的一種裝置，該裝置通過一個(gè)調(diào)解箱將空氣溫度與濕度調(diào)制到設(shè)定值，通入到放置有樣品的試驗(yàn)箱中，然后開啟箱頂?shù)恼舭l(fā)器吸收植物發(fā)射的長波，但是其箱頂蒸發(fā)器容易結(jié)霜，制冷效率大大降低，濕度的控制比較復(fù)雜，而且箱體中未考慮風(fēng)速的控制。
[0007]澳大利亞H.Marellous設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)植物結(jié)霜的裝置，通過對流使箱內(nèi)空氣溫度與植物葉片溫度降低到設(shè)定值，然后打開箱體頂部的蒸發(fā)器，不斷吸收植物葉片發(fā)射的長波能量導(dǎo)致植物葉片溫度降低，通過雙層薄膜隔離了輻射制冷與對流制冷，空氣濕度的控制是通過在箱體中放置冰水混合物，但雙層薄膜的設(shè)計(jì)降低了裝置的長波透射性，從而使輻射換熱效率降低，另一方面該冰水混合物產(chǎn)生的濕度不可控，造成箱體壁面結(jié)霜而影響傳熱效果，從而造成能源浪費(fèi)。
[0008]現(xiàn)有技術(shù)中，沒有模擬風(fēng)速的裝置，箱體內(nèi)的空氣相對濕度不可控，因此影響結(jié)霜的控制參數(shù)不齊全或不可調(diào)節(jié)，而且參與輻射換熱的制冷蒸發(fā)器的效率不高，同時(shí)造成了能源的浪費(fèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于提供一種使植物葉片表面結(jié)霜的裝置與方法，通過增加風(fēng)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)(3)，以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)箱(22)內(nèi)風(fēng)速的調(diào)控；通過濕度控制系統(tǒng)(6)向試驗(yàn)箱(22)內(nèi)通入濕氣，以簡化加濕方法而且加濕量可控；通過將輻射蒸發(fā)器(73)放置在試驗(yàn)箱(22)底部，達(dá)到只使用一層薄膜就可達(dá)到輻射換熱目的，從而增大蒸發(fā)器與植物的輻射換熱效率，提尚能源利用效率。
[0010]為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下:
[0011]—種使植物葉片表面結(jié)霜的裝置，包括強(qiáng)對流制冷系統(tǒng)(I)、箱體(2)、活體植物
(5)和物品架(8)，其特征在于還包括:風(fēng)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)(3)、控制系統(tǒng)(4)、濕度控制系統(tǒng)(6)和輻射制冷系統(tǒng)⑵；所述的強(qiáng)對流制冷系統(tǒng)⑴包括制冷動(dòng)力組件(11)、出風(fēng)口(12)、溫度傳感器(13)、風(fēng)窗(14)、對流風(fēng)扇(15)、進(jìn)風(fēng)口(16)、強(qiáng)制對流制冷蒸發(fā)器(17)和圍板
(18)，箱體(2)從下到上依次分為動(dòng)力箱(21)、試驗(yàn)箱(22)和控制箱(23)三個(gè)部分，活體植物(5)放置在物品架(8)上，制冷動(dòng)力組件(11)固定于動(dòng)力箱(21)內(nèi)底面，圍板(18)與試驗(yàn)箱(22)壁面形成風(fēng)道夾層；圍板(18)上方開有進(jìn)風(fēng)口(16)，下方開有出風(fēng)口(12)，風(fēng)窗(14)固定與圍板(18)上完全籠罩進(jìn)風(fēng)口(16)，試驗(yàn)箱(22)內(nèi)壁面從上到下依次固定有對流風(fēng)扇(15)與強(qiáng)對流蒸發(fā)器(17)，溫度傳感器(13)位于距活體植物(5)葉片附近5 cm以內(nèi)。
[0012]所述的風(fēng)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)(3)包括調(diào)速風(fēng)扇(31)和風(fēng)速傳感器(32);調(diào)速風(fēng)扇(31)固定于試驗(yàn)箱(22)內(nèi)側(cè)壁面，風(fēng)速傳感器(32)位于活體植物葉片1cm以內(nèi)。
[0013]所述的濕度控制系統(tǒng)(6)包括加濕器￠1)、加濕管路￠2)和濕度傳感器￠2);加濕器￠1)置于動(dòng)力箱(21)內(nèi)底面，加濕管路￠2)固定在試驗(yàn)箱(22)內(nèi)側(cè)壁面，濕度傳感器(62)放置在距活體植物(5)葉片附近5cm范圍以內(nèi)。
[0014]所述的輻射制冷系統(tǒng)(7)包括對長波具有高透射率的薄膜(71)、干燥劑(72)、輻射制冷蒸發(fā)器(73)、保溫板(74)和葉子溫度傳感器(75);薄膜(71)覆蓋在保溫板(74)上，干燥劑(72)固定在保溫板(74)的內(nèi)壁面，輻射制冷蒸發(fā)器(73)與保溫板(74)固定在試驗(yàn)箱(22)內(nèi)底面，薄膜(71)、保溫板(74)與試驗(yàn)箱(22)底部形成密封的空氣夾層，薄膜
(71)與輻射蒸發(fā)器(73)的距離要求為保證薄膜(71)溫度大于試驗(yàn)箱(22)內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度。
[0015]根據(jù)所述的一種使植物葉片表面結(jié)霜的裝置的結(jié)霜方法，其特征在于包括以下步驟:
[0016]步驟一，打開強(qiáng)對流制冷系統(tǒng)(I)，設(shè)定目標(biāo)氣溫值為T。，將試驗(yàn)箱(22)內(nèi)氣溫Ta與活體植物(5)葉片溫度IY快速降至設(shè)定溫度T。，保持氣溫T。不變；
[0017]步驟二，啟動(dòng)輻射制冷系統(tǒng)(7)，使活體植物(5)葉片溫度IY降低至與試驗(yàn)箱(22)內(nèi)氣溫Ta之差為設(shè)定值T:后，維持溫差T:不變；
[0018]步驟三，打開風(fēng)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)(3)，設(shè)定風(fēng)速大小為V。；
[0019]步驟四，啟動(dòng)濕度控制系統(tǒng)(6)，加濕持續(xù)時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)間T后，活體植物(5)葉片結(jié)霜，關(guān)閉濕度控制系統(tǒng)(6)，觀察活體植物(5)葉片的表面結(jié)霜情況。
[0020]所述的風(fēng)速V。大小范圍為O?3m/s ；目標(biāo)氣溫值T。為_2?0°C ;溫差T # 2?5。。。
[0021]:當(dāng)觀察活體植物葉片上表面結(jié)霜，將活體植物(5)倒置于物品架⑶下方；觀察活體植物葉片下表面結(jié)霜時(shí)，將活體植物(5)正置于物品架(8)上方。
[0022]本發(fā)明的原理:在自然界結(jié)霜環(huán)境中，植物結(jié)霜與植物溫度、空氣溫度、空氣濕度和氣流速度有關(guān)；在本發(fā)明中，植物溫度通過輻射制冷系統(tǒng)(7)與植物葉片的熱交換來實(shí)現(xiàn)，空氣溫度通過強(qiáng)制對流制冷系統(tǒng)(I)來實(shí)現(xiàn)，空氣濕度通過濕度控制系統(tǒng)(6)實(shí)現(xiàn)，氣流速度大小通過風(fēng)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)(3)實(shí)現(xiàn)。
[0023]濕度控制系統(tǒng)(6)原理:通過放置在動(dòng)力箱(21)中的加濕器(63)不斷產(chǎn)生水汽，通過加濕器噴嘴￠1)通入試驗(yàn)箱(22)中，控制系統(tǒng)(4)通過讀取濕度傳感器￠1)所獲得的值與設(shè)定目標(biāo)值對比調(diào)節(jié)加濕器￠3)加濕量。
[0024]輻射制冷系統(tǒng)(7)原理:薄膜上結(jié)露會(huì)導(dǎo)致長波透過率大大降低，所以必須防止薄膜上結(jié)露，本發(fā)明中，由于溫度較低的輻射制冷蒸發(fā)器(31)在下，溫度較高的長波高透射性薄膜(32)在上，二者形成的空氣夾層不會(huì)形成對流，因此下層冷空氣將通過導(dǎo)熱形式傳遞到薄膜(32)