Princípy technológie aditívneho zmrazovania vody na vytváranie tenkovrstvových štruktúr ľadových kryštálov | Analýza a vplyv parametrov námrazy na hrúbku a priehľadnosť ochrannej štruktúry ľadu za účelom vývoja systému protimrazovej ochrany
Abstrakt:
Analýza klimatických zmien a sledovanie produkčného cyklu vonkajšej produkcie potravín za posledných 5 rokov poukazujú na výskyt skorých jarných mrazov ako jav, ktorý výrazne ovplyvňuje úrodu. Výskyt mrazov má väčšinou za následok stratu celej úrody na nadchádzajúcu sezónu a ani poistenie úrody nekryje všetky straty. Z tohto dôvodu je potrebné uplatňovať aktívne ochranné opatrenia a znižovať riziko produkcie potravín. Jedným z takýchto ochranných opatrení je systém ochrany pred mrazom (dažďom), ktorý je založený na fenoméne vodnej anomálie, kedy sa pri prechode z odkvapkávania do tuhého súhrnného skupenstva vody uvoľňuje energia. Táto energia sa využíva na udržanie teploty kvetu a mladého plodu v rozmedzí 0 až 2°C. Pri takejto ochrane plantáže sa nad kvetmi a plodmi vytvorí vrstva ľadu, ktorej teplota je 0°C. Tento ľad chráni plantáž ihličkovým efektom (ideálny izolant). Moderné ochranné systémy aplikujú technológiu vytvárania vzduchu úplne nasýteného vlhkosťou (100% relatívna vlhkosť vzduchu) v rámci chránenej mikroklímy, čo má za následok výraznú úsporu potrebného množstva vody pri samotnej ochrane, nakoľko sa eliminuje vyparovanie a šetrí sa potrebná energia. na udržanie štruktúr ľadových kryštálov s tenkým plášťom pri 0 ° C. Ďalší pokrok v technológii si vyžaduje dynamický model fungovania systému s premenlivou intenzitou dažďovej vody v závislosti od aktuálnych poveternostných podmienok. Dôvodom je potreba zachovať kryštálovú štruktúru ľadu (priehľadný ľad) s optimálnou spotrebou vody počas noci, aby bola zabezpečená ochrana ovocia pred negatívnymi vonkajšími teplotami. Parametre, ktoré by mohli ovplyvniť kryštálovú štruktúru ľadu, sú teplota, vlhkosť, vietor a intenzita dažďa vody s veľkosťou kvapiek. Hlavným cieľom tohto výskumu je analyzovať vplyv parametrov zmrazovania vody na hrúbku a priehľadnosť ochrannej štruktúry ľadu. Získané výsledky by boli základom pre vývoj pokročilého riadenia systému protimrazovej ochrany a vývoj nových typov postrekovačov s premenlivou intenzitou zrážok.
Kľúčové slová:
izolant, dážď, krištáľový ľad, latentné teplo, protimrazový systém, voda
Prehľad predchádzajúcich diel:
Postrekovacie zavlažovacie systémy sa používali posledných 50 rokov ako systémy protimrazovej ochrany, ale neboli komerčne dostupné pre širšie použitie, pretože samy o sebe sú veľkými spotrebiteľmi vody a energie. Pre bežného potravinára sú nedostupné aj prepravné kapacity a potrebný výkon pre chod systému (čerpadlo). Bežné protimrazové systémy postrekovačov spotrebujú v priemere 4 až 8 l/m2 vody a používajú sa hlavne na ochranu intenzívnych porastov jabloní a hrušiek. Dôvodom je, že zamrznutím veľkého množstva vody počas dlhšej doby prác vzniká hrubá a ťažká vrstva ľadu, ktorá spôsobuje mechanické poškodenie vnútri plantáží. Dochádza k mechanickému poškodeniu kvetov a plodov a dokonca aj k lámaniu konárov vplyvom hmotnosti ľadu [1]. Preštudovaním literatúry nebola zistená analýza a vplyv dažďového systému so 100% relatívnou vlhkosťou vzduchu v rámci mikroklímy plantáží. Účinnosť takéhoto systému na väčších plochách (nad 50 000 m2) v dôsledku vytvorenia samostatnej energetickej mikroklímy. Integrátory uvádzajú efektívnu prevádzku systému s prietokmi 1 až 2 l/m2 voda. Tieto údaje poskytujú základ pre podrobný výskum, najmä preto, že vznikajú štruktúry ľadových kryštálov s tenkým plášťom s lepšími teplotnými vlastnosťami ako v bežných systémoch. Tepelná vodivosť ľadu je 2,2 W/mK a nemožno ho zaradiť do kategórie dobrých izolantov. Napriek tomu má ľad, ktorý je v bode prechodu medzi kvapalnou a pevnou agregovanou fázou, „mokrý ľad“ 0 °C, a preto pôsobí ako ideálna izolačná hranica pre prechod tepla. Popísaný prechod tepla pri ochrane by spočíval v tom, že na jednej strane dochádza k negatívnemu vplyvu vonkajšej teploty, ktorá prudko klesá na vonkajšom kontaktnom povrchu tenko škrupinovej kryštalickej ľadovej štruktúry, kde námraza a rosenie novou vodou sa neustále vyskytujú. V ideálnych podmienkach si ľad, ktorý zamrzne, udržuje teplotu 0°C v celej svojej hrúbke a zostáva krištáľovo čistý bez akýchkoľvek nepravidelností v kryštálovej štruktúre. Pod kryštalickou štruktúrou na kontaktnej ploche medzi ľadom a ovocím sa nachádza mokrý vodný film, ktorý zaisťuje, že tkanivo ovocia nezamrzne. Akékoľvek zamrznutie pletiva má za následok deformáciu alebo stratu kvality plodov [2]. Počítačový model pre simuláciu vzhľadu mrazu bol uvedený v predchádzajúcich prácach [3] a je výborným základom pre vývoj ďalšieho modelu riadenia systému protimrazovej ochrany. V príspevku je presne definovaná potreba energie v závislosti od mikrolokácie a tvaru plantáží, ako aj meniaceho sa vplyvu klímy. Rozšírenie modelu o aktívnu protimrazovú ochranu vo forme postrekovacieho systému by bolo významným pokrokom pre celosvetovú produkciu potravín. Predpokladom je, že pri optimálnych podmienkach námrazy sa vytvorí pravidelná štvorcová kryštálová štruktúra [4]. Overenie tohto predpokladu je možné dokázať záznamom ľadových štruktúr pri ochrane plantáží pred mrazom pomocou röntgenového žiarenia, čo je vysvetlené v tomto príspevku. [5] a pomocou mikroskopu [6], je potrebné zvážiť obe metódy, aby bolo možné zaznamenať kryštálovú štruktúru v rámci chránenej mikroklímy plantáží. Ak sú výsledky kryštalizácie podľa očakávania, model mrazenia by sa mohol použiť na aplikáciu v technológii aditívnej 3D tlače zmrazením vody, čo je vysvetlené v nasledujúcom článku [7]. Rozdiel je v tom, že počas 3D tlače boli na kontrolu štruktúry námrazy použité suché atmosférické podmienky, zatiaľ čo v tomto výskume bola námraza simulovaná pri 100% relatívnej vlhkosti laboratórneho nastavenia. Na záver možno povedať, že kryštálová štruktúra ľadu má významný vplyv v systémoch ochrany proti mrazu, ako aj v iných technických aplikáciách. Cielené zmrazovanie vody s parametrami skopírovanými zo skutočných podmienok systému protimrazovej ochrany a preukázaním tvorby kryštalickej štruktúry by bolo významným vedeckým prelomom.
Ivan Jovič na ResearchGate