Principi della tecnologia di congelamento additivo dell'acqua per creare strutture di cristalli di ghiaccio a pareti sottili Analisi e influenza dei parametri della glassa sullo spessore e sulla trasparenza della struttura del ghiaccio protettivo allo scopo di sviluppare sistemi di protezione dal gelo
Astratto:
L'analisi dei cambiamenti climatici e il monitoraggio del ciclo produttivo della produzione alimentare all'aperto negli ultimi 5 anni indicano il verificarsi delle gelate precoci primaverili come un fenomeno che incide in modo significativo sulla resa. L'inizio del gelo si traduce principalmente nella perdita del raccolto completo per la prossima stagione e anche l'assicurazione del genere non copre tutte le perdite. Pertanto, è necessario applicare misure di protezione attiva e ridurre il rischio di produzione alimentare. Una di queste misure protettive è il sistema di protezione contro il gelo (pioggia), che si basa sul fenomeno dell'anomalia dell'acqua, quando l'energia viene rilasciata durante il passaggio dallo stato liquido a quello solido dell'acqua. Questa energia viene utilizzata per mantenere la temperatura del fiore e dei giovani frutti nell'intervallo da 0 a 2 ° C. Durante tale protezione delle piantagioni, si forma una crosta di ghiaccio sul fiore e sul frutto, la cui temperatura è di 0 ° C. Questo ghiaccio protegge la piantagione con un effetto ago (isolante ideale). I moderni sistemi di protezione applicano la tecnologia di creare aria completamente satura (100% di umidità relativa) all'interno del microclima protetto, il che si traduce in un notevole risparmio della quantità d'acqua richiesta durante la protezione, eliminando così l'evaporazione e risparmiando energia necessaria per mantenere i cristalli di ghiaccio a pareti sottili strutture a 0 ° C. Ulteriori progressi tecnologici richiedono un modello dinamico di funzionamento dei sistemi con intensità di pioggia d'acqua variabile a seconda delle condizioni meteorologiche attuali. La ragione di ciò è la necessità di mantenere la struttura cristallina del ghiaccio (ghiaccio trasparente) con un consumo idrico ottimale per tutta la notte per garantire la protezione del frutto dalle temperature esterne negative. I parametri che potrebbero influenzare la struttura cristallina del ghiaccio sono la temperatura, l'umidità, il vento e l'intensità dell'acqua che gocciola con le dimensioni delle goccioline. L'obiettivo principale di questa ricerca è analizzare l'influenza dei parametri di congelamento dell'acqua sullo spessore e sulla trasparenza della struttura protettiva del ghiaccio. I risultati ottenuti sarebbero la base per lo sviluppo di una gestione avanzata del sistema di protezione dal gelo e lo sviluppo di nuove tipologie di sprinkler con intensità di pioggia variabile.
Parole chiave:
isolante, pioggia, ghiaccio cristallino, calore latente, sistema antigelo, acqua
Panoramica dei lavori precedenti:
I sistemi di irrigazione dell'acqua piovana sono stati presenti negli ultimi 50 anni in uso come sistemi di protezione dal gelo, ma non sono stati disponibili in commercio per un'applicazione più ampia poiché sono essi stessi grandi consumatori di acqua ed energia. Anche le capacità di trasporto e la potenza necessaria per far funzionare il sistema (pompa) sono inaccessibili al produttore alimentare medio. I sistemi di protezione antigelo convenzionali consumano in media da 4 a 8 litri / m2 acqua e sono utilizzati principalmente per la protezione dei frutteti intensivi di mele e pere. Il motivo è che congelando una grande quantità di acqua durante un periodo di lavoro più lungo, si crea uno spesso e pesante strato di ghiaccio, che provoca danni meccanici all'interno delle piantagioni. Vi sono danni meccanici a fiori e frutti e persino la rottura dei rami a causa del peso del ghiaccio [1]. Uno studio della letteratura non ha trovato l'analisi e l'impatto dei sistemi di acqua piovana con il 100% di umidità relativa all'interno del microclima delle piantagioni. L'efficienza di un tale sistema su aree più ampie (oltre i 50.000 m) è stata confermata dal passaparola dell'integratore tecnologico2) a causa della creazione di un microclima energetico separato. Gli integratori dichiarano il funzionamento efficiente di impianti con portate da 1 a 2 lit/m2 acqua. Questi dati forniscono una base per una ricerca dettagliata, soprattutto perché si formano strutture di cristalli di ghiaccio a guscio sottile con proprietà di temperatura migliori rispetto ai sistemi convenzionali. La conducibilità termica del ghiaccio è di 2,2 W/mK e non può rientrare nella categoria dei buoni isolanti. Nonostante ciò, il ghiaccio che si trova nel punto di transizione tra la fase aggregata liquida e solida, il "ghiaccio umido" è a 0°C e quindi funge da limite di isolamento ideale per il trasferimento di calore. Il trasferimento di calore descritto durante la protezione sarebbe che da un lato vi è un impatto negativo della temperatura esterna che scende bruscamente sulla superficie di contatto esterna della struttura di ghiaccio cristallino a guscio sottile dove c'è formazione continua di ghiaccio e nuova rugiada d'acqua. In condizioni ideali, il ghiaccio che congela mantiene una temperatura di 0°C per tutto il suo spessore e rimane cristallino senza irregolarità nella struttura cristallina. Sotto la struttura cristallina sulla superficie di contatto tra il ghiaccio e il frutto c'è un film di acqua bagnata che assicura che il tessuto del frutto non si congeli. Qualsiasi congelamento del tessuto provoca la deformazione o la perdita della qualità del frutto [2]. Un modello computerizzato di simulazione del gelo è stato fornito in lavori precedenti [3] ed è un'ottima base per lo sviluppo di un ulteriore modello di gestione del sistema antigelo. Il documento definisce con precisione il bisogno di energia a seconda della micro-posizione e della forma delle piantagioni e dell'influenza mutevole del clima. L'estensione del modello per includere la protezione attiva dal gelo sotto forma di un sistema di acqua piovana rappresenterebbe un progresso significativo per la produzione alimentare globale. Il presupposto è che durante condizioni di glassa ottimali, venga creata una struttura cristallina quadrata regolare [4]. La verifica di questa ipotesi può essere dimostrata mediante l'imaging delle strutture di ghiaccio durante la protezione delle piantagioni dal gelo mediante raggi X, che è spiegato in questo documento. [5] e usando un microscopio [6], è necessario considerare entrambi i metodi per poter effettuare un rilievo della struttura cristallina all'interno del microclima protetto della piantagione stessa. Se sono attesi i risultati della cristallizzazione, il modello di glassa potrebbe essere utilizzato per l'applicazione nella tecnologia additiva della stampa 3D mediante congelamento dell'acqua, come spiegato nel documento seguente [7]. La differenza è che le condizioni 3D utilizzavano condizioni di atmosfera secca per controllare la struttura della glassa, mentre in questo studio è stata simulata la simulazione della glassa al 100% di umidità relativa della configurazione del laboratorio. In conclusione, la struttura cristallina del ghiaccio ha un impatto significativo nei sistemi di protezione dal gelo e per altre applicazioni tecniche. Il congelamento mirato dell'acqua con parametri copiati dalle condizioni effettive del sistema di protezione dal gelo e la dimostrazione della formazione di una struttura cristallina rappresenterebbe una svolta scientifica significativa.