Principiile tehnologiei de înghețare aditivă a apei pentru crearea structurilor de cristal de gheață cu înveliș subțire | Analiza și influența parametrilor de îngheț asupra grosimii și transparenței structurii de protecție a gheții în scopul dezvoltării unui sistem de protecție împotriva înghețului
Abstract:
Analiza schimbărilor climatice și monitorizarea ciclului de producție a producției alimentare în aer liber din ultimii 5 ani indică apariția înghețurilor de primăvară timpurie ca un fenomen care afectează semnificativ cultura. Apariția înghețului are ca rezultat, de obicei, pierderea întregii recolte pentru sezonul următor și nici măcar asigurarea culturilor nu acoperă toate pierderile. Din acest motiv, este necesar să se aplice măsuri de protecție activă și să se reducă riscul producției de alimente. O astfel de măsură de protecție este sistemul de protecție împotriva înghețului (ploii), care se bazează pe fenomenul de anomalie a apei, când energie este eliberată în timpul trecerii de la o stare de picurare la o stare solidă agregată a apei. Această energie este folosită pentru a menține temperatura florii și a fructului tânăr în intervalul 0 până la 2°C. În timpul unei astfel de protecție a plantației, peste flori și fructe se formează un strat de gheață, a cărui temperatură este de 0°C. Această gheață protejează plantația cu efect de ac (izolator ideal). Sistemele moderne de protecție aplică tehnologia de a crea aer complet saturat cu umiditate (100% umiditate relativă a aerului) în microclimatul protejat, ceea ce are ca rezultat economii semnificative ale cantității de apă necesare în timpul protecției în sine, deoarece aceasta elimină evaporarea și economisește energia necesară. pentru a menține structurile de cristal de gheață cu coajă subțire la 0°C. Progresul în continuare în tehnologie necesită un model dinamic de funcționare a sistemului cu intensitate variabilă a apei de ploaie în funcție de condițiile meteorologice actuale. Motivul pentru aceasta este necesitatea mentinerii structurii cristaline a ghetii (gheata transparenta) cu un consum optim de apa pe tot parcursul noptii pentru a asigura protectia fructului de temperaturile externe negative. Parametrii care ar putea afecta structura cristalină a gheții sunt temperatura, umiditatea, vântul și intensitatea apei de ploaie cu dimensiunea picăturilor. Scopul principal al acestei cercetări este de a analiza influența parametrilor de înghețare a apei asupra grosimii și transparenței structurii de protecție a gheții. Rezultatele obținute ar sta la baza dezvoltării managementului avansat al sistemului de protecție împotriva înghețului și dezvoltării de noi tipuri de aspersoare cu intensitate variabilă a precipitațiilor.
Cuvinte cheie:
izolator, ploaie, gheata cristalina, caldura latenta, sistem de protectie la inghet, apa
Prezentare generală a lucrărilor anterioare:
Sistemele de irigare prin aspersiune au fost utilizate în ultimii 50 de ani ca sisteme de protecție împotriva înghețului, dar nu erau disponibile comercial pentru o utilizare mai largă, deoarece sunt mari consumatori de apă și energie. Capacitățile de transport și puterea necesară pentru funcționarea sistemului (pompa) sunt, de asemenea, indisponibile producătorului mediu de alimente. Sistemele convenționale de protecție împotriva înghețului cu sprinklere consumă în medie 4 până la 8 litri/m2 de apă și sunt utilizate în principal pentru protejarea plantațiilor intensive de mere și pere. Motivul pentru aceasta este că prin înghețarea unei cantități mari de apă pe o perioadă mai lungă de lucru, se creează un strat gros și greu de gheață, care provoacă daune mecanice în interiorul plantațiilor. Există daune mecanice la flori și fructe și chiar ramuri care se sparg din cauza greutății gheții [1]. Studiind literatura de specialitate nu s-a constatat nicio analiză și influență a sistemului de ploaie cu umiditate relativă a aerului de 100% în microclimatul plantațiilor. Eficacitatea unui astfel de sistem pe suprafețe mai mari (peste 50.000 m2) datorită creării unui microclimat energetic separat. Integratorii declară funcționarea eficientă a sistemului cu debite de 1 până la 2 litri/m2 apă. Aceste date oferă baza pentru cercetări detaliate, mai ales că sunt create structuri de cristal de gheață cu coajă subțire, cu proprietăți de temperatură mai bune decât în sistemele convenționale. Conductivitatea termică a gheții este de 2,2 W/mK și nu poate fi inclusă în categoria izolatorilor buni. În ciuda acestui fapt, gheața care se află la punctul de tranziție între faza agregată lichidă și solidă, „gheața umedă” este la 0°C și, prin urmare, acționează ca o limită izolatoare ideală pentru trecerea căldurii. Trecerea descrisă a căldurii în timpul protecției ar fi aceea că, pe de o parte, există o influență negativă a temperaturii exterioare, care scade brusc pe suprafața de contact externă a structurii de gheață cristalină cu coajă subțire, unde înghețarea și roua cu apă nouă. apare continuu. În condiții ideale, gheața care îngheață menține o temperatură de 0°C pe toată grosimea sa și rămâne limpede ca cristalul, fără nereguli în structura cristalului. Sub structura cristalină de pe suprafața de contact dintre gheață și fruct se află o peliculă de apă umedă care asigură că țesutul fructului nu îngheață. Orice înghețare a țesutului are ca rezultat deformarea sau pierderea calității fructelor [2]. Modelul computerizat pentru simularea apariției înghețului a fost dat în lucrări anterioare [3] și reprezintă o bază excelentă pentru dezvoltarea unui model ulterioar de management al sistemului de protecție împotriva înghețului. În lucrare este definită cu precizie nevoia de energie, în funcție de microlocația și forma plantațiilor, precum și de influența schimbătoare a climei. Extinderea modelului pentru a include protecție activă împotriva înghețului sub forma unui sistem de sprinklere ar fi un progres semnificativ pentru producția globală de alimente. Presupunerea este că o structură cristalină pătrată obișnuită este creată în condiții optime de îngheț [4]. Verificarea acestei ipoteze poate fi dovedită prin înregistrarea structurilor de gheață în timpul protecției plantațiilor de îngheț cu ajutorul razelor X, ceea ce este explicat în această lucrare. [5] și folosind un microscop [6], ambele metode trebuie luate în considerare pentru a putea înregistra structura cristalină în microclimatul protejat al plantațiilor. Dacă rezultatele cristalizării sunt cele așteptate, modelul de înghețare ar putea fi utilizat pentru aplicarea în tehnologia de imprimare 3D aditivă prin înghețarea apei, ceea ce este explicat în lucrarea următoare [7]. Diferența este că în timpul imprimării 3D, condițiile atmosferice uscate au fost folosite pentru a controla structura de gheață, în timp ce în această cercetare, gheața a fost simulată în umiditatea relativă de 100% a configurației de laborator. În concluzie, structura cristalină a gheții are un impact semnificativ în sistemele de protecție împotriva înghețului, precum și pentru alte aplicații tehnice. Înghețarea direcționată a apei cu parametri copiați din condițiile reale ale sistemului de protecție împotriva înghețului și demonstrarea formării unei structuri cristaline ar fi o descoperire științifică semnificativă.
Ivan Jovic pe ResearchGate