Принципи на технологията за адитивно замразяване на вода

Принципи на технологията за адитивно замразяване на вода за създаване на ледени кристални структури с тънка черупка | Анализ и влияние на параметрите на обледеняване върху дебелината и прозрачността на защитната ледена структура с цел разработване на система за защита от замръзване

Резюме:

Анализът на изменението на климата и мониторингът на производствения цикъл на производството на храни на открито през последните 5 години показват появата на ранни пролетни слани като явление, което значително влияе върху реколтата. Появата на слана обикновено води до загуба на цялата реколта за предстоящия сезон и дори застраховката на реколтата не покрива всички загуби. Ето защо е необходимо прилагането на активни мерки за защита и намаляване на риска от производство на храни. Една такава защитна мярка е системата за защита от замръзване (дъжд), която се основава на явлението водна аномалия, когато се отделя енергия при преминаването от капещо към твърдо агрегатно състояние на водата. Тази енергия се използва за поддържане на температурата на цвета и младите плодове в диапазона от 0 до 2°C. При такава защита на насажденията върху цветята и плодовете се образува слой лед, чиято температура е 0°C. Този лед защитава плантацията с ефекта на иглата (идеален изолатор). Съвременните системи за защита прилагат технологията за създаване на напълно наситен с влага въздух (100% относителна влажност на въздуха) в защитения микроклимат, което води до значителна икономия на необходимото количество вода по време на самата защита, като по този начин се елиминира изпарението и се пести необходимата енергия за поддържане на ледени кристални структури с тънка обвивка при 0°C. По-нататъшният напредък в технологиите изисква динамичен модел на работа на системата с променлива интензивност на дъждовната вода в зависимост от текущите метеорологични условия. Причината за това е необходимостта от поддържане на кристалната структура на леда (прозрачен лед) с оптимален разход на вода през цялата нощ, за да се осигури защита на плодовете от отрицателни външни температури. Параметрите, които могат да повлияят на кристалната структура на леда, са температура, влажност, вятър и интензивност на дъждовната вода с размера на капките. Основната цел на това изследване е да се анализира влиянието на параметрите на замръзване на водата върху дебелината и прозрачността на защитната ледена структура. Получените резултати ще бъдат в основата на разработването на усъвършенствано управление на системата за защита от замръзване и разработването на нови видове спринклери с променлива интензивност на валежите.

Ключови думи: 

изолатор, дъжд, кристален лед, латентна топлина, система за защита от замръзване, вода

Преглед на предишни работи:

Системите за спринклерно напояване се използват през последните 50 години като системи за защита от замръзване, но те не са били налични в търговската мрежа за по-широко използване, тъй като са големи консуматори на вода и енергия. Транспортните възможности и необходимата мощност за работа на системата (помпа) също са недостъпни за средния производител на храни. Конвенционалните спринклерни системи за защита от замръзване консумират средно от 4 до 8 l/m² вода и се използват главно за защита на интензивни ябълкови и крушови насаждения. Причината за това е, че при замръзване на голямо количество вода при по-дълъг период на работа се създава дебел и тежък слой лед, който причинява механични повреди вътре в насажденията. Има механични повреди по цветовете и плодовете, дори и счупване на клони от тежестта на леда [1]. Чрез проучване на литературата не е установен анализ и влияние на дъждовната система със 100% относителна влажност на въздуха в микроклимата на насажденията. Ефективността на такава система на по-големи площи (над 50 000 м²) поради създаването на отделен енергиен микроклимат. Интеграторите заявяват ефективна работа на системата с дебити от 1 до 2 лит/м² вода. Тези данни предоставят основата за подробни изследвания, особено след като са създадени ледени кристални структури с тънка черупка с по-добри температурни свойства, отколкото в конвенционалните системи. Топлопроводимостта на леда е 2,2 W/mK и не може да бъде включена в категорията на добрите изолатори. Въпреки това, ледът, който е в точката на преход между течната и твърдата агрегатна фаза, "мокрият лед" е при 0°C и следователно действа като идеална изолираща граница за преминаване на топлина. Описаното преминаване на топлина по време на защита би било, че от една страна има отрицателно влияние на външната температура, която рязко спада върху външната контактна повърхност на тънкочерупковата кристална ледена структура, където заледяването и оросяването с нова вода възникват непрекъснато. При идеални условия ледът, който замръзва, поддържа температура от 0°C по цялата си дебелина и остава кристално чист без никакви нередности в кристалната структура. Под кристалната структура на контактната повърхност между леда и плода има мокър воден филм, който гарантира, че плодовата тъкан няма да замръзне. Всяко замразяване на тъкан води до деформация или загуба на качество на плодовете [2]. Компютърният модел за симулация на появата на скреж е даден в предишни работи [3] и е отлична основа за разработването на допълнителен модел на управление на системата за защита от замръзване. Документът точно дефинира нуждата от енергия в зависимост от микролокацията и формата на насажденията, както и променящото се влияние на климата. Разширяването на модела с включването на активна защита от замръзване под формата на спринклерна система би било значителен напредък за глобалното производство на храни. Предположението е, че правилна квадратна кристална структура се създава при оптимални условия на заледяване [4]. Проверката на това предположение може да бъде доказана чрез записване на ледени структури по време на защитата на насажденията от замръзване с помощта на рентгенови лъчи, което е обяснено в тази статия. [5] и с помощта на микроскоп [6], трябва да се вземат предвид и двата метода, за да може да се запише кристалната структура в рамките на защитения микроклимат на насажденията. Ако резултатите от кристализацията са според очакванията, моделът на замразяване може да се използва за приложение в адитивна технология за 3D печат чрез замразяване на вода, което е обяснено в следващата статия [7]. Разликата е, че по време на 3D принтирането, сухите атмосферни условия са използвани за контрол на структурата на леда, докато в това изследване, ледът е симулиран при 100% относителна влажност на лабораторната настройка. В заключение, кристалната структура на леда има значително влияние върху системите за защита от замръзване, както и за други технически приложения. Целенасоченото замразяване на вода с параметри, копирани от действителните условия на системата за защита от замръзване и доказване на образуването на кристална структура би било значителен научен пробив.