Zasady technologii addytywnego zamrażania wody do tworzenia cienkościennych struktur kryształów lodu Analiza i wpływ parametrów oblodzenia na grubość i przezroczystość ochronnej struktury lodu na potrzeby opracowania systemu przeciwzamrożeniowego
Abstrakcyjny:
Analiza zmian klimatu oraz monitoring cyklu produkcyjnego produkcji żywności na wolnym powietrzu w ostatnich 5 latach wskazują na występowanie wczesnowiosennych przymrozków jako zjawiska istotnie wpływającego na plon. Początek przymrozków powoduje w większości utratę całego plonu na nadchodzący sezon i nawet ubezpieczenie plonu nie pokrywa wszystkich strat. Dlatego konieczne jest stosowanie aktywnych środków ochronnych i ograniczanie ryzyka produkcji żywności. Jednym z takich środków ochronnych jest system ochrony przed mrozem (deszczem), który opiera się na zjawisku anomalii wodnej, kiedy energia uwalniana jest podczas zmiany stanu wody ze stanu ciekłego na stały. Energia ta jest wykorzystywana do utrzymania temperatury kwiatu i młodych owoców w zakresie od 0 do 2°C. Podczas takiej ochrony plantacji na kwiatach i owocach tworzy się skorupa lodowa, której temperatura wynosi 0°C. Lód ten chroni plantację efektem igły (idealny izolator). Nowoczesne systemy ochrony wykorzystują technologię tworzenia całkowicie nasyconego powietrza (100% wilgotności względnej) w chronionym mikroklimacie, co skutkuje znaczną oszczędnością wymaganej ilości wody podczas ochrony, eliminując tym samym parowanie i oszczędzając energię potrzebną do utrzymania cienkościennych kryształków lodu struktury w 0 ° C. Dalszy postęp technologiczny wymaga dynamicznego modelu pracy systemów ze zmiennym natężeniem opadów deszczu w zależności od aktualnych warunków pogodowych. Powodem tego jest konieczność utrzymania struktury krystalicznej lodu (lód przezroczysty) przy optymalnym zużyciu wody przez całą noc, aby zapewnić ochronę owoców przed ujemnymi temperaturami zewnętrznymi. Parametry, które mogą mieć wpływ na strukturę krystaliczną lodu to temperatura, wilgotność, wiatr oraz intensywność kapania wody o wielkości kropel. Głównym celem tych badań jest analiza wpływu parametrów zamarzania wody na grubość i przezroczystość ochronnej struktury lodu. Uzyskane wyniki stanowiłyby podstawę do opracowania zaawansowanego zarządzania systemem ochrony przed mrozem oraz opracowania nowych typów zraszaczy o zmiennym natężeniu opadów.
Słowa kluczowe:
izolator, deszcz, kryształowy lód, ciepło utajone, system przeciwzamrożeniowy, woda
Przegląd dotychczasowych prac:
Systemy nawadniania deszczowego były stosowane od 50 lat jako systemy ochrony przed zamarzaniem, ale nie były dostępne na rynku dla szerszego zastosowania, ponieważ same są dużymi konsumentami wody i energii. Zdolności transportowe i moc potrzebna do obsługi systemu (pompy) są również niedostępne dla przeciętnego producenta żywności. Konwencjonalne systemy ochrony przed zamarzaniem zużywają średnio od 4 do 8 litrów/m²2 wody i są stosowane głównie do ochrony intensywnych sadów jabłoniowych i gruszowych. Powodem tego jest to, że zamrażając dużą ilość wody podczas dłuższego okresu pracy, tworzy się gruba i ciężka warstwa lodu, która powoduje mechaniczne uszkodzenia wewnątrz plantacji. Pod ciężarem lodu dochodzi do mechanicznych uszkodzeń kwiatów i owoców, a nawet pękania gałęzi [1]. W badaniach literaturowych nie znaleziono analizy i wpływu systemów rynnowych o 100% wilgotności względnej w mikroklimacie plantacji. Skuteczność takiego systemu na większych powierzchniach (powyżej 50 000 m) została potwierdzona ustnie od integratora technologii2) ze względu na wytworzenie odrębnego mikroklimatu energetycznego. Integratorzy stwierdzają wydajną pracę systemów o przepływach od 1 do 2 l/m2 woda. Dane te dają podstawę do szczegółowych badań, zwłaszcza że powstają cienkopowłokowe struktury kryształów lodu o lepszych właściwościach temperaturowych niż w układach konwencjonalnych. Przewodność cieplna lodu wynosi 2,2 W/mK i nie można go zaliczyć do kategorii dobrych izolatorów. Mimo to lód, który znajduje się w punkcie przejścia między fazą ciekłego i stałego kruszywa, „mokry lód” ma temperaturę 0 ° C i dlatego działa jako idealna granica izolacji dla przenikania ciepła. Opisany transfer ciepła podczas ochrony polegałby z jednej strony na negatywnym wpływie temperatury zewnętrznej, która gwałtownie spada na zewnętrzną powierzchnię styku cienkowarstwowej krystalicznej struktury lodu, gdzie występuje ciągłe oblodzenie i rosa z nową wodą. W idealnych warunkach zamarzający lód utrzymuje temperaturę 0 ° C na całej swojej grubości i pozostaje krystalicznie czysty bez żadnych nieregularności w strukturze krystalicznej. Pod strukturą krystaliczną na powierzchni styku lodu z owocami znajduje się wilgotny film wodny, który zapewnia, że tkanka owocu nie zamarza. Każde zamrożenie tkanki skutkuje deformacją lub utratą jakości owoców [2]. Model komputerowy do symulacji występowania mrozu podano w poprzednich pracach [3] i stanowi doskonałą podstawę do opracowania kolejnego modelu zarządzania systemem przeciwzamrożeniowym. W pracy precyzyjnie określono zapotrzebowanie na energię w zależności od mikrolokalizacji i kształtu plantacji oraz zmieniającego się wpływu klimatu. Rozszerzenie modelu o aktywną ochronę przed zamarzaniem w postaci systemu rynnowego byłoby znaczącym postępem w globalnej produkcji żywności. Zakłada się, że podczas optymalnych warunków zalodzenia powstaje regularna kwadratowa struktura krystaliczna [4]. Weryfikację tego założenia można wykazać obrazując struktury lodowe podczas ochrony plantacji przed mrozem za pomocą promieni rentgenowskich, co wyjaśniono w niniejszej pracy. [5] i za pomocą mikroskopu [6] należy rozważyć obie metody, aby móc przeprowadzić badania struktury krystalicznej w obrębie samego mikroklimatu roślin chronionych. Jeżeli spodziewane są wyniki krystalizacji, model oblodzenia można wykorzystać do zastosowania w technologii addytywnego druku 3D poprzez zamrażanie wody, co wyjaśniono w dalszej części artykułu. [7]. Różnica polegała na tym, że w druku 3D zastosowano warunki suchej atmosfery do kontrolowania struktury oblodzenia, podczas gdy w tym badaniu symulowano oblodzenie przy 100% wilgotności względnej w układzie laboratoryjnym. Podsumowując, struktura krystaliczna lodu ma istotny wpływ w systemach ochrony przed zamarzaniem, jak również w innych zastosowaniach technicznych. Ukierunkowane zamrożenie wody z parametrami skopiowanymi z rzeczywistych warunków systemu przeciwzamrożeniowego i udowodnienie powstania struktury krystalicznej byłoby znaczącym krokiem naprzód naukowym.
Ivan Jovic o ResearchGate