Prinzipien der Additiv-Wassergefriertechnologie

Prinzipien der additiven Wassergefriertechnologie zur Erzeugung dünnwandiger Eiskristallstrukturen Analyse und Einfluss von Vereisungsparametern auf Dicke und Transparenz der Schutzeisstruktur zur Entwicklung von Frostschutzsystemen

Abstrakt:

Die Analyse des Klimawandels und die Überwachung des Produktionszyklus der Freiland-Nahrungsmittelproduktion in den letzten 5 Jahren weisen auf das Auftreten von Frühjahrsfrösten als ein Phänomen hin, das den Ertrag signifikant beeinflusst. Der Frosteinbruch führt meist zum Verlust der gesamten Ernte für die kommende Saison, und auch die Versicherung der Gattung deckt nicht alle Verluste ab. Daher ist es notwendig, aktive Schutzmaßnahmen anzuwenden und das Risiko der Lebensmittelproduktion zu reduzieren. Eine solche Schutzmaßnahme ist der Frostschutz (Regenschutz), der auf dem Phänomen der Wasseranomalie beruht, wenn beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand von Wasser Energie freigesetzt wird. Diese Energie wird verwendet, um die Temperatur der Blüte und der jungen Früchte im Bereich von 0 bis 2 ° C zu halten. Während eines solchen Schutzes von Plantagen bildet sich über den Blüten und Früchten eine Eiskruste, deren Temperatur 0 ° C beträgt. Dieses Eis schützt die Plantage mit einem Nadeleffekt (idealer Isolator). Moderne Schutzsysteme verwenden die Technologie, innerhalb des geschützten Mikroklimas vollständig gesättigte Luft (100% relative Luftfeuchtigkeit) zu erzeugen, was zu erheblichen Einsparungen der erforderlichen Wassermenge während des Schutzes führt, wodurch die Verdunstung verhindert und Energie eingespart wird, die für die Aufrechterhaltung dünnwandiger Eiskristalle erforderlich ist Strukturen , bei 0 ° C Weitere technologische Fortschritte erfordern ein dynamisches Betriebsmodell von Systemen mit variabler Wasserniederschlagsintensität in Abhängigkeit von den aktuellen Wetterbedingungen. Grund dafür ist die Notwendigkeit, die Kristallstruktur des Eises (transparentes Eis) bei optimalem Wasserverbrauch die ganze Nacht über zu erhalten, um die Früchte vor negativen Außentemperaturen zu schützen. Parameter, die die Kristallstruktur von Eis beeinflussen könnten, sind Temperatur, Feuchtigkeit, Wind und die Intensität des tropfenförmigen Wassers. Das Hauptziel dieser Forschung ist es, den Einfluss von Wassergefrierparametern auf die Dicke und Transparenz der schützenden Eisstruktur zu analysieren. Die erhaltenen Ergebnisse wären die Grundlage für die Entwicklung eines fortschrittlichen Managements von Frostschutzsystemen und die Entwicklung neuer Arten von Sprinklern mit variabler Niederschlagsintensität.

 

Schlüsselwörter: 

Isolator, Regen, Kristalleis, Latentwärme, Frostschutzsystem, Wasser

 Qtech Zagreb Snijeg

 

Übersicht bisheriger Arbeiten:

 

Regenwasserbewässerungssysteme werden seit 50 Jahren als Frostschutzsysteme verwendet, sind jedoch für eine breitere Anwendung nicht kommerziell erhältlich, da sie selbst große Verbraucher von Wasser und Energie sind. Auch Transportkapazitäten und die zum Betrieb der Anlage (Pumpe) benötigte Leistung sind für den durchschnittlichen Lebensmittelproduzenten nicht zugänglich. Herkömmliche Frostschutzsysteme verbrauchen durchschnittlich 4 bis 8 Liter/m²2 Wasser und dienen vor allem dem Schutz intensiver Apfel- und Birnenplantagen. Der Grund dafür ist, dass durch das Gefrieren großer Wassermengen während einer längeren Arbeitszeit eine dicke und schwere Eisschicht entsteht, die im Inneren der Plantagen mechanische Schäden verursacht. Durch das Gewicht des Eises kommt es zu mechanischen Schäden an Blüten und Früchten und sogar zum Knacken von Zweigen [1]. Eine Literaturrecherche hat die Analyse und Wirkung von Regenwassersystemen mit 100 % relativer Luftfeuchtigkeit im Mikroklima von Plantagen nicht gefunden. Die Leistungsfähigkeit eines solchen Systems auf größeren Flächen (über 50.000 m²) wurde durch Mundpropaganda des Technologieintegrators bestätigt2) aufgrund der Schaffung eines separaten Energiemikroklimas. Integratoren geben einen effizienten Betrieb von Systemen mit Durchflüssen von 1 bis 2 lit / m . an2 Wasser. Diese Daten liefern eine Grundlage für detaillierte Untersuchungen, zumal dünnschalige Eiskristallstrukturen mit besseren Temperatureigenschaften als in herkömmlichen Systemen gebildet werden. Die Wärmeleitfähigkeit von Eis beträgt 2,2 W / mK und kann nicht in die Kategorie der guten Isolatoren eingeordnet werden. Trotzdem hat das Eis, das sich am Übergang zwischen flüssiger und fester Aggregatphase befindet, „nasses Eis“ eine Temperatur von 0 °C und wirkt somit als ideale Isolationsgrenze für den Wärmeübergang. Der beschriebene Wärmeübergang beim Schutz wäre zum einen eine negative Auswirkung der Außentemperatur, die stark an der äußeren Kontaktfläche der dünnschaligen kristallinen Eisstruktur bei kontinuierlicher Vereisung und Neuwassertau stark absinkt. Unter idealen Bedingungen behält das gefrierende Eis über seine gesamte Dicke eine Temperatur von 0 ° C und bleibt kristallklar ohne Unregelmäßigkeiten in der Kristallstruktur. Unter der Kristallstruktur an der Kontaktfläche zwischen Eis und Frucht befindet sich ein nasser Wasserfilm, der dafür sorgt, dass das Fruchtgewebe nicht gefriert. Jedes Einfrieren des Gewebes führt zu Verformungen oder Verlust der Fruchtqualität [2]. Ein Computermodell zur Simulation des Auftretens von Frost ist in früheren Arbeiten angegeben [3] und es ist eine hervorragende Grundlage für die Entwicklung eines weiteren Modells des Frostschutz-Systemmanagements. Das Papier definiert präzise den Energiebedarf in Abhängigkeit von Mikrolage und Form der Plantagen und dem sich ändernden Einfluss des Klimas. Eine Erweiterung des Modells um einen aktiven Frostschutz in Form einer Regenwasseranlage wäre ein wesentlicher Fortschritt für die weltweite Nahrungsmittelproduktion. Die Annahme ist, dass bei optimalen Vereisungsbedingungen eine regelmäßige quadratische Kristallstruktur entsteht [4]. Die Verifizierung dieser Annahme kann durch Röntgenaufnahmen von Eisstrukturen beim Frostschutz von Plantagen nachgewiesen werden, die in diesem Beitrag erläutert werden. [5] und mit einem Mikroskop [6] müssen beide Methoden in Betracht gezogen werden, um eine Untersuchung der Kristallstruktur innerhalb des geschützten Mikroklimas der Plantage selbst durchführen zu können. Wenn die Kristallisationsergebnisse zu erwarten sind, könnte das Vereisungsmodell für die Anwendung in der additiven Technologie des 3D-Drucks durch Wassergefrieren verwendet werden, was im folgenden Artikel erläutert wird [7]. Der Unterschied besteht darin, dass 3D-Bedingungen trockene Atmosphärenbedingungen verwendet haben, um die Vereisungsstruktur zu kontrollieren, während in dieser Studie eine Simulation der Vereisung bei 100 % relativer Luftfeuchtigkeit des Laboraufbaus simuliert wurde. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kristallstruktur von Eis sowohl in Frostschutzsystemen als auch für andere technische Anwendungen einen erheblichen Einfluss hat. Das gezielte Einfrieren des Wassers mit Parametern, die den tatsächlichen Bedingungen des Frostschutzsystems nachempfunden sind und die Bildung einer Kristallstruktur nachweisen, wäre ein bedeutender wissenschaftlicher Durchbruch.

 

FPS tornado