CN113317096B - 一种基于弯折气动谐振式加热装置的果园除霜机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于弯折气动谐振式加热装置的果园除霜机，涉及农业工程领域，包括履带车、空气压缩机、尼龙绳、输气管、弯折气动谐振式加热装置、支撑架和氦气球；所述氦气球下方安装着支撑架，所述支撑架下方安装着弯折气动谐振式加热装置，所述氦气球左右两端连接有尼龙绳，两端的所述尼龙绳下方缠绕在履带车上，所述履带车上装有空气压缩机，所述空气压缩机与弯折气动谐振式加热装置之间通过输气管连接；所述输气管缠绕在尼龙绳上。本发明优化谐振腔形状，从而改善气动谐振加热效果，并且结合拉瓦尔原理技术、螺旋整流技术等，得到适用于果树除霜的热气流。
Description
技术领域
本发明属于农业工程领域，尤其涉及到一种基于弯折气动谐振式加热装置的果园除霜机。
背景技术
霜冻这一气象灾害具有发生范围广、危害作物种类多、造成经济损失大等危害，因此在农业工程中，除霜机器的研制一直是重要研究方向。目前市面上的除霜机主要是电加热式除霜，主要利用的原理为给加热管通电得到高温，再用风扇制成热流，但是除霜方式具有结构较为复杂和能源利用率低等问题。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于弯折气动谐振式加热装置的果园除霜机，通过氦气球携带弯折气动谐振式加热装置，使得热气流从空中吹向果树，从而达到除霜的效果。另外，本发明优化谐振腔形状，从而改善气动谐振加热效果，并且结合拉瓦尔原理技术、螺旋整流技术等，得到适用于果树除霜的热气流。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于弯折气动谐振式加热装置的果园除霜机，包括履带车、空气压缩机、尼龙绳、输气管、弯折气动谐振式加热装置、支撑架和氦气球；所述氦气球下方安装着支撑架，所述支撑架下方安装着弯折气动谐振式加热装置，所述氦气球左右两端连接有尼龙绳，两端的所述尼龙绳下方缠绕在履带车上，所述履带车上装有空气压缩机，所述空气压缩机与弯折气动谐振式加热装置之间通过输气管连接；所述输气管缠绕在尼龙绳上。
进一步的，所述弯折气动谐振式加热装置包括进气孔、入口端盖、定位管a、套管、定位管b、锥形喷嘴结构和出气管；所述入口端盖内设有进气孔，所述入口端盖的最右端与定位管a的左端相连接，所述定位管a右端与拉瓦尔管的左端相连接，所述拉瓦尔管右端与定位管b左端相连接，所述定位管b右端与锥形喷嘴结构左端相连接，所述锥形喷嘴结构右端与气流罩左端相连接，所述套管左端与入口端盖螺纹连接，所述套管右端与谐振腔螺纹连接，所述套管内套装有定位管a、拉瓦尔管、定位管b、锥形喷嘴和气流罩，所述出气管与套管通过焊接，所述出气管内装有螺旋整流管，所述出口端盖与出气管右端通过螺纹连接，所述套管和气流罩相同位置的侧边上均开设有圆孔，且所述套管、气流罩上的圆孔与出气管入口端相连通。
进一步的，所述套管与入口端盖之间设有密封圈a；所述套管与谐振腔之间设有密封圈b；所述出口端盖与出气管之间设有密封圈c。
进一步的，所述谐振腔的为弯折的中空圆柱体，弯折夹角ω为90°～180°。
进一步的，所述谐振腔的为弯折的中空圆柱体，弯折夹角ω为110°。
进一步的，所述谐振腔由不锈钢材料制成。
进一步的，所述出气管为L型结构的中空管，在出气管内设置有螺旋整流管，螺纹整流管一端通过出气管轴肩定位，一端通过出气管出口端设置的出口端盖定位，出口端盖上开设有出气孔。
进一步的，所述螺旋整流管左端外形为锥形，锥角度数为90°～100°；所述螺旋整流管叶片压力面起始点与终止点连线与轴线夹角α为25°～35°。
进一步的，所述拉瓦尔管内的腔体及定位管a至定位管b的内孔，包括依次导通的稳定段、收缩段、过渡段和扩张段。
进一步的，所述锥形喷嘴结构中直径最小的位置处开设有喷嘴，喷嘴的内径为5～6mm；所述喷嘴右端至谐振腔左端距离为5～6mm。
本发明的有益效果：
1.本发明总体结构简单，易于拆卸、组装，可以良好的适应山地、丘陵等果树通常种植的环境。
2.本发明氦气球两端选用尼龙绳牵引，在保证强度的同时，可以更方便的调节氦气高度，从而达到适应不同果树高度的目的。
3.本发明选用氦气作为填充气球材料，具有稳定、安全等优点。
4.本发明选用拉瓦尔管，使空气依此通过收缩段、过渡段和扩张段；使气流流速从亚音速加速至超音速，如此为气动谐振提供良好的速度条件。
5.本发明气动谐振管选用弯折夹角ω为110°，通过Ansys中的Fluent虚拟仿真实验，得到该弯折夹角的加热效果最佳。
6.本发明出气孔左侧设有螺旋整流管，气流经过螺旋整流管后，将以螺旋形从出气孔旋出。螺旋形气流可以更好的减少空气阻力，使该发明的有效工作距离更远，从而适应不同果园环境。
附图说明
图1为本发明实施例的果园除霜机结构示意图；
图2为本发明实施例的弯折气动谐振式加热装置结构示意图；
图3为本发明实施例的拉瓦尔管内孔流线示意图；
图4为本发明实施例的谐振腔弯折夹角为180°的Fluent虚拟仿真温度场示意图；
图5为本发明实施例的谐振腔弯折夹角为170°的Fluent虚拟仿真温度场示意图；
图6为本发明实施例的谐振腔弯折夹角为160°的Fluent虚拟仿真温度场示意图；
图7为本发明实施例的谐振腔弯折夹角为150°的Fluent虚拟仿真温度场示意图；
图8为本发明实施例的谐振腔弯折夹角为140°的Fluent虚拟仿真温度场示意图；
图9为本发明实施例的谐振腔弯折夹角为130°的Fluent虚拟仿真温度场示意图；
图10为本发明实施例的谐振腔弯折夹角为120°的Fluent虚拟仿真温度场示意图；
图11为本发明实施例的谐振腔弯折夹角为110°的Fluent虚拟仿真温度场示意图；
图12为本发明实施例的谐振腔弯折夹角为100°的Fluent虚拟仿真温度场示意图；
图13为本发明实施例的谐振腔弯折夹角为90°的Fluent虚拟仿真温度场示意图；
图14为本发明实施例的螺旋整流管的螺旋叶片示意图。
附图标记：
1-履带车、2-空气压缩机、3-尼龙绳、4-输气管、5-弯折气动谐振式加热装置、6-支撑架、7-氦气球、501-进气孔、502-入口端盖、503-密封圈a、504-定位管a、505-拉瓦尔管、506-套管、507-定位管b、508-锥形喷嘴结构、509-喷嘴、510-气流罩、511-密封圈b、512-谐振腔、513-出口端盖、514-出气孔、515-密封圈c、516-螺旋整流管、517-出气管。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
结合附图1，根据本发明实施例的一种基于弯折气动谐振式加热装置的果园除霜机，包括履带车1、空气压缩机2、尼龙绳3、输气管4、弯折气动谐振式加热装置5、支撑架6和氦气球7；所述氦气球7下方安装着支撑架6，所述支撑架6下方安装着弯折气动谐振式加热装置5，所述氦气球7左右两端连接着尼龙绳3，所述两端的尼龙绳3下方缠绕在履带车1上，所述履带车1上装有空气压缩机2，所述空气压缩机2与弯折气动谐振式加热装置5之间通过输气管4连接；所述输气管4缠绕在尼龙绳3上。
结合附图2，所述入口端盖502内设有进气孔501，所述入口端盖502的最右端与定位管a504的左端相连接，所述定位管a504右端与拉瓦尔管505的左端相连接，所述拉瓦尔管505右端与定位管b507左端相连接，所述定位管b507右端与锥形喷嘴508左端相连接，所述锥形喷嘴508右端与气流罩510左端相连接，所述套管506左端与入口端盖502通过螺纹连接，所述套管506与入口端盖502之间设有密封圈a503，所述套管506右端与谐振腔512通过螺纹连接，所述套管506与谐振腔512之间设有密封圈b511，所述套管506包覆着定位管a504、拉瓦尔管505、定位管b507、锥形喷嘴508和气流罩510，所述出气管517与套管506通过气焊连接，所述出气管517内装有螺旋整流管516，所述出口端盖513与出气管517右端通过螺纹连接，所述出口端盖513与出气管517之间设有密封圈c515。所述套管506和气流罩510的侧边都设有圆孔。所述套管506、气流罩510的圆孔以及出气管517的内管需要对齐安装。
结合附图3所示，拉瓦尔管5的内孔被分为收缩段、过渡段和扩张段。下面简述拉瓦尔管5原理：气流高速流动时流管截面面积与流速之间函数关系为
其中A表示流管截面面积，v表示气流流速，M表示马赫数。由公式可知，当M小于1时即气体流速小于音速，流管截面面积缩小，气流流速增大；流管截面面积扩大，气流流速减小。当M大于1时即气体流速大于音速，流管截面面积缩小，气流流速减小；流管截面面积扩大，气流流速增大。由此原理可得，亚音速气流从拉瓦尔管505收缩段流过时，其流速增大至音速。此时的音速气流在过渡段保持速度，并维持气流稳定。最后音速气流流至扩张段，其流速增大，即得到超音速气流。
结合附图4至图13所示，在Solidworks中建立本发明实施例的三维结构简图，然后将其导入Ansys中的Fluent模块中进行虚拟加热仿真，并且在Solidworks中改变模型的谐振腔512的弯折夹角ω。弯折夹角ω大小的变化从180°开始，即谐振腔512为圆柱体，到弯折夹角ω为90°截止，每10°做一个虚拟仿真。各个组保持相同大小的进气孔501与出气孔514的气压，最后得到图4至图13弯折夹角ω分别为180°、170°、160°、150°、140°、130°、120°、110°、100°和90°的Fluent虚拟仿真温度场云图。可以得到在相同大小的进气孔501和出气孔514气压下，折弯夹角为110°时的谐振腔512加热效果最好，最高温度为550.384K。因此本发明选用弯折夹角ω为110°。
由于谐振腔512内会产生高达550.384K的温度，因此谐振腔512的材料采用可耐高温的不锈钢材料。
结合附图2和图14所示，螺旋整流管516左端为入气端口，右端为出气端口。所述螺旋整流管516左端外形为锥形，锥角度数为90°～100°。锥形入气端口设计为锥形可以减少入气端口阻力，使气流更加平稳的的进入螺旋整流管516中。螺旋整流管516叶片压力面起始点与终止点连线与轴线夹角α为25°～35°。经过螺旋整流管508后，气流将以螺旋形从出气孔514旋出。螺旋形气流可以更好的减少空气阻力，使整个发明的有效工作距离更远。
所述锥形喷嘴508的锥形外形可以使气体压缩汇聚起来，注入至谐振腔512中，锥形喷嘴508中直径最小的部位称为喷嘴，喷嘴509的内径为5mm；所述喷嘴509右端至谐振腔512左端距离为5mm；所述谐振腔512的内孔直径为7mm；谐振腔512轴线长为18mm。
根据本发明实施例的一种基于弯折气动谐振式加热装置的果园除霜机：
整体果园除霜机的工作过程如下，首先进行准备工作，将氦气球7充气，调节氦气球7两端尼龙绳3的长度以适应果树高度。准备工作完成后，空气压缩机2输出气体，使弯折气动谐振式加热装置5开始工作，最后履带车1牵引着氦气球7匀速向前运动，从而使除霜机开始进行除霜工作。
弯折气动谐振式加热装置5的工作过程分为加速阶段、加热阶段和整流阶段。首先气流从进气孔501进入后经过定位管a504，此时气流处于气流加速阶段的稳定段，紧接着气流进入拉瓦尔管505的收缩段，在该阶段气流流速由亚音速加速至音速，然后气流进入拉瓦尔管505的稳定段，并且其流速保持音速。最后气流进入拉瓦尔管505的扩张段，在该阶段气流流速由音速加速至超音速。至此气流加速阶段完成。然后气流通过锥形喷嘴508，气体收到压缩，可以使气体压缩汇聚起来，注入至谐振腔512中，气体注入谐振腔512内，经过气动谐振加热，然后汇入出气管517中，至此气流加热阶段完成。最后汇入出气管517中的气流进入螺旋整流管516之中。气流在螺旋整流管516工作下形成螺旋形，旋出出气孔514。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种基于弯折气动谐振式加热装置的果园除霜机，其特征在于，包括履带车（1）、空气压缩机（2）、尼龙绳（3）、输气管（4）、弯折气动谐振式加热装置（5）、支撑架（6）和氦气球（7）；所述氦气球（7）下方安装着支撑架（6），所述支撑架（6）下方安装着弯折气动谐振式加热装置（5），所述氦气球（7）左右两端连接有尼龙绳（3），两端的所述尼龙绳（3）下方缠绕在履带车（1）上，所述履带车（1）上装有空气压缩机（2），所述空气压缩机（2）与弯折气动谐振式加热装置（5）之间通过输气管（4）连接；所述输气管（4）缠绕在尼龙绳（3）上；所述弯折气动谐振式加热装置（5）包括进气孔（501）、入口端盖（502）、定位管a（504）、套管（506）、定位管b（507）、锥形喷嘴结构（508）和出气管（517）；所述入口端盖（502）内设有进气孔（501），所述入口端盖（502）的最右端与定位管a（504）的左端相连接，所述定位管a（504）右端与拉瓦尔管（505）的左端相连接，所述拉瓦尔管（505）右端与定位管b（507）左端相连接，所述定位管b（507）右端与锥形喷嘴结构（508）左端相连接，所述锥形喷嘴结构（508）右端与气流罩（510）左端相连接，所述套管（506）左端与入口端盖（502）螺纹连接，所述套管（506）右端与谐振腔（512）螺纹连接，所述套管（506）内套装有定位管a（504）、拉瓦尔管（505）、定位管b（507）、锥形喷嘴结构（508）和气流罩（510），所述出气管（517）与套管（506）焊接连接，所述出气管（517）内装有螺旋整流管（516），所述出气管（517）右端通过螺纹与出口端盖（513）连接，所述套管（506）和气流罩（510）相同位置的侧边上均开设有圆孔，且所述套管（506）、气流罩（510）上的圆孔与出气管（517）入口端相连通。
2.根据权利要求1所述的基于弯折气动谐振式加热装置的果园除霜机，其特征在于，所述套管（506）与入口端盖（502）之间设有密封圈a（503）；所述套管（506）与谐振腔（512）之间设有密封圈b（511）；所述出口端盖（513）与出气管（517）之间设有密封圈c（515）。
3.根据权利要求1所述的基于弯折气动谐振式加热装置的果园除霜机，其特征在于，所述谐振腔（512）为弯折的中空圆柱体，弯折夹角ω为90°~180°。
4.根据权利要求3所述的基于弯折气动谐振式加热装置的果园除霜机，其特征在于，所述谐振腔（512）的为弯折的中空圆柱体，弯折夹角ω为110°。
5.根据权利要求1所述的基于弯折气动谐振式加热装置的果园除霜机，其特征在于，所述谐振腔（512）由不锈钢材料制成。
6.根据权利要求1所述的基于弯折气动谐振式加热装置的果园除霜机，其特征在于，所述出气管（517）为L型结构的中空管，在出气管（517）内设置有螺旋整流管（516），螺旋整流管（516）一端通过出气管（517）轴肩定位，一端通过出气管（517）出口端设置的出口端盖（513）定位，出口端盖（513）上开设有出气孔（514）。
7.根据权利要求6所述的基于弯折气动谐振式加热装置的果园除霜机，其特征在于，所述螺旋整流管（516）左端外形为锥形，锥角度数为90°~100°；所述螺旋整流管（516）叶片压力面起始点与终止点连线与轴线夹角α为25°~35°。
8.根据权利要求1所述的基于弯折气动谐振式加热装置的果园除霜机，其特征在于，所述拉瓦尔管（505）内的腔体及定位管a（504）至定位管b（507）的内孔，包括依次导通的稳定段、收缩段、过渡段和扩张段。
9.根据权利要求1所述的基于弯折气动谐振式加热装置的果园除霜机，其特征在于，所述锥形喷嘴结构（508）中直径最小的位置处开设有喷嘴（509），喷嘴（509）的内径为5~6mm；所述喷嘴（509）右端至谐振腔（512）左端距离为5~6mm。
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