Principios de la tecnología de congelación de agua aditiva para crear estructuras de cristales de hielo de paredes delgadas Análisis e influencia de los parámetros de formación de hielo en el espesor y la transparencia de la estructura protectora del hielo con el fin de desarrollar sistemas de protección contra heladas.
Abstracto:
El análisis del cambio climático y el seguimiento del ciclo productivo de la producción de alimentos al aire libre en los últimos 5 años indican la ocurrencia de heladas tempranas de primavera como un fenómeno que afecta significativamente el rendimiento. El inicio de las heladas resulta principalmente en la pérdida de la cosecha completa para la próxima temporada, e incluso el seguro del género no cubre todas las pérdidas. Por tanto, es necesario aplicar medidas de protección activa y reducir el riesgo de producción de alimentos. Una de esas medidas de protección es el sistema de protección contra las heladas (lluvia), que se basa en el fenómeno de anomalía del agua, cuando se libera energía durante el cambio de estado líquido a sólido del agua. Esta energía se utiliza para mantener la temperatura de la flor y del fruto joven en el rango de 0 a 2 ° C. Durante dicha protección de las plantaciones, se forma una costra de hielo sobre la flor y el fruto, cuya temperatura es de 0 ° C. Este hielo protege la plantación con efecto aguja (aislante ideal). Los sistemas de protección modernos aplican la tecnología de crear aire completamente saturado (100% de humedad relativa) dentro del microclima protegido, lo que resulta en ahorros significativos en la cantidad requerida de agua durante la protección, eliminando así la evaporación y ahorrando energía necesaria para mantener cristales de hielo de paredes delgadas. estructuras a 0 ° C. Los avances adicionales en la tecnología requieren un modelo dinámico de operación de sistemas con intensidad de lluvia de agua variable dependiendo de las condiciones climáticas actuales. La razón de esto es la necesidad de mantener la estructura cristalina del hielo (hielo transparente) con un consumo óptimo de agua durante toda la noche para asegurar la protección de la fruta de las temperaturas exteriores negativas. Los parámetros que podrían afectar la estructura cristalina del hielo son la temperatura, la humedad, el viento y la intensidad del agua que gotea con el tamaño de las gotas. El objetivo principal de esta investigación es analizar la influencia de los parámetros de congelación del agua sobre el espesor y la transparencia de la estructura protectora del hielo. Los resultados obtenidos serían la base para el desarrollo de un sistema de gestión avanzada de protección contra heladas y el desarrollo de nuevos tipos de aspersores con intensidad de lluvia variable.
Palabras clave:
aislante, lluvia, hielo cristalino, calor latente, sistema de protección contra heladas, agua
Resumen de trabajos anteriores:
Los sistemas de riego de agua de lluvia han estado presentes durante los últimos 50 años en uso como sistemas de protección contra las heladas, pero no han estado disponibles comercialmente para una aplicación más amplia, ya que ellos mismos son grandes consumidores de agua y energía. Las capacidades de transporte y la energía requerida para operar el sistema (bomba) también son inaccesibles para el productor de alimentos promedio. Los sistemas convencionales de protección contra heladas consumen una media de 4 a 8 litros / m2 agua y se utilizan principalmente para la protección intensiva de manzanos y perales. El motivo es que al congelar una gran cantidad de agua durante un período de trabajo más largo, se crea una capa de hielo espesa y pesada que provoca daños mecánicos en el interior de las plantaciones. Hay daños mecánicos en flores y frutos e incluso rajaduras de ramas debido al peso del hielo. [1]. Un estudio de la literatura no encontró el análisis e impacto de los sistemas de agua de lluvia con 100% de humedad relativa dentro del microclima de las plantaciones. La eficiencia de un sistema de este tipo en áreas más grandes (por encima de 50.000 m) fue confirmada por el boca a boca del integrador de tecnología.2) debido a la creación de un microclima energético independiente. Los integradores afirman el funcionamiento eficiente de los sistemas con caudales de 1 a 2 litros / m2 agua. Estos datos proporcionan una base para una investigación detallada, especialmente a medida que se forman estructuras de cristales de hielo de capa delgada con mejores propiedades de temperatura que en los sistemas convencionales. La conductividad térmica del hielo es de 2,2 W / mK y no puede incluirse en la categoría de buenos aislantes. A pesar de esto, el hielo que se encuentra en el punto de transición entre la fase líquida y sólida del agregado, "hielo húmedo", está a 0 ° C y, por lo tanto, funciona como un límite de aislamiento ideal para la transferencia de calor. La transferencia de calor descrita durante la protección sería que, por un lado, hay un impacto negativo de la temperatura externa que cae bruscamente sobre la superficie de contacto externa de la estructura de hielo cristalino de capa delgada donde hay hielo continuo y nuevo rocío de agua. En condiciones ideales, el hielo que se congela mantiene una temperatura de 0 ° C en todo su espesor y permanece cristalino sin irregularidades en la estructura cristalina. Debajo de la estructura cristalina en la superficie de contacto entre el hielo y la fruta hay una película de agua húmeda que asegura que el tejido de la fruta no se congele. Cualquier congelación del tejido da como resultado la deformación o pérdida de la calidad de la fruta. [2]. En trabajos anteriores se proporciona un modelo informático para simular la aparición de heladas. [3] y es una base excelente para el desarrollo de un nuevo modelo de gestión del sistema de protección contra heladas. El documento define con precisión la necesidad de energía en función de la micro ubicación y la forma de las plantaciones y la influencia cambiante del clima. Ampliar el modelo para incluir la protección activa contra las heladas en forma de un sistema de agua de lluvia sería un avance significativo para la producción mundial de alimentos. El supuesto es que durante las condiciones óptimas de formación de hielo, se crea una estructura de cristal cuadrada regular. [4]. La verificación de esta suposición puede demostrarse mediante la obtención de imágenes de las estructuras de hielo durante la protección de las plantaciones contra las heladas mediante rayos X, que se explica en este artículo. [5] y usando un microscopio [6], es necesario considerar ambos métodos para poder realizar un estudio de la estructura cristalina dentro del microclima protegido de la propia plantación. Si se esperan los resultados de la cristalización, el modelo de formación de hielo podría utilizarse para su aplicación en la tecnología aditiva de impresión 3D por congelación de agua, que se explica en el siguiente artículo. [7]. La diferencia es que las condiciones 3D utilizaron condiciones de atmósfera seca para controlar la estructura de formación de hielo, mientras que en este estudio se simuló la simulación de formación de hielo al 100% de humedad relativa de la configuración del laboratorio. En conclusión, la estructura cristalina del hielo tiene un impacto significativo en los sistemas de protección contra heladas, así como en otras aplicaciones técnicas. La congelación selectiva del agua con parámetros copiados de las condiciones reales del sistema de protección contra heladas y que demuestre la formación de una estructura cristalina sería un avance científico significativo.
