Принципи адитивної технології заморожування води для створення тонкостінних кристалічних структур льоду Аналіз та вплив параметрів обледеніння на товщину та прозорість захисної структури льоду з метою розробки систем захисту від морозу.
Анотація:
Аналіз кліматичних змін та моніторинг виробничого циклу виробництва харчових продуктів на відкритому повітрі за останні 5 років свідчать про виникнення ранніх весняних заморозків як явища, що істотно впливає на врожайність. Настання заморозків здебільшого призводить до втрати повного врожаю на майбутній сезон, і навіть страхування роду не покриває всіх втрат. Тому необхідно застосовувати заходи активного захисту та знижувати ризик виробництва харчових продуктів. Одним із таких захисних заходів є система захисту від морозу (дощу), яка заснована на явищі водної аномалії, коли при переході води з рідкого стану в твердий виділяється енергія. Ця енергія використовується для підтримки температури квітки і молодих плодів в межах від 0 до 2 °С. Під час такого захисту насаджень над квіткою та плодами утворюється льодяна кірка, температура яких становить 0 °С. Цей лід захищає плантацію ефектом голки (ідеальний ізолятор). У сучасних системах захисту використовується технологія створення повністю насиченого повітря (100% відносної вологості) в захищеному мікрокліматі, що призводить до значної економії необхідної кількості води під час захисту, що виключає випаровування та економить енергію, необхідну для підтримки тонкостінного кристала льоду. конструкцій при 0°С. Подальший розвиток технологій вимагає створення динамічної моделі роботи систем зі змінною інтенсивністю опадів залежно від поточних погодних умов. Причиною цього є необхідність підтримки кристалічної структури льоду (прозорого льоду) з оптимальним споживанням води протягом ночі, щоб забезпечити захист плодів від негативних зовнішніх температур. Параметрами, які можуть вплинути на кристалічну структуру льоду, є температура, вологість, вітер та інтенсивність капання води з розміром крапель. Основною метою даного дослідження є аналіз впливу параметрів замерзання води на товщину та прозорість захисної структури льоду. Отримані результати стануть основою для розробки передового управління системою захисту від замерзання та розробки нових типів спринклерів зі змінною інтенсивністю опадів.
Ключові слова:
ізолятор, дощ, кришталевий лід, приховане тепло, система захисту від морозу, вода
Огляд попередніх робіт:
Системи зрошення дощовою водою використовувалися протягом останніх 50 років як системи захисту від замерзання, але не були комерційно доступними для більш широкого застосування, оскільки самі є великими споживачами води та енергії. Транспортні потужності та необхідна потужність для роботи системи (насоси) також недоступні середньому виробнику харчових продуктів. Звичайні системи захисту від морозу споживають в середньому від 4 до 8 л/м2 води і використовуються в основному для охорони інтенсивних яблуневих і грушевих садів. Причина в тому, що при замерзанні великої кількості води протягом тривалого періоду роботи утворюється товстий і важкий шар льоду, який завдає механічних пошкоджень всередині насаджень. Відбувається механічне пошкодження квітів і плодів і навіть розтріскування гілок від ваги льоду [1]. Вивчення літератури не виявило аналізу та впливу систем дощової води зі 100% відносною вологістю в мікрокліматі насаджень. Ефективність такої системи на більших площах (понад 50 000 м) була підтверджена з уст в уста від технологічного інтегратора.2) за рахунок створення окремого енергетичного мікроклімату. Інтегратори констатують ефективну роботу систем з витратами від 1 до 2 л/м2 вода. Ці дані є основою для детальних досліджень, особливо тому, що кристалічні структури льоду з тонкою оболонкою формуються з кращими температурними властивостями, ніж у звичайних системах. Теплопровідність льоду становить 2,2 Вт / мК і не може бути віднесена до категорії хороших ізоляторів. Незважаючи на це, лід, який знаходиться в точці переходу між рідкою і твердою агрегатною фазою, «мокрий лід» має температуру 0 ° C і тому працює як ідеальна межа ізоляції для теплопередачі. Описана тепловіддача під час захисту буде полягати в тому, що, з одного боку, має місце негативний вплив зовнішньої температури, яка різко падає на зовнішню контактну поверхню тонкооболонної структури кристалічного льоду, де відбувається безперервне обмерзання та нова водяна роса. За ідеальних умов лід, який замерзає, підтримує температуру 0 °C по всій своїй товщині і залишається кристально чистим без будь-яких нерівностей у кристалічній структурі. Під кристалічною структурою на поверхні контакту між льодом і фруктом знаходиться волога водяна плівка, яка гарантує, що тканина плода не замерзає. Будь-яке замерзання тканини призводить до деформації або втрати якості плодів [2]. У попередніх роботах наведено комп’ютерну модель для моделювання настання морозу [3] і це чудова основа для розробки подальшої моделі управління системою захисту від замерзання. У статті чітко визначено потребу в енергії залежно від мікророзташування та форми насаджень та мінливого впливу клімату. Розширення моделі, щоб включити активний захист від морозу у вигляді системи дощової води, було б значним прогресом для глобального виробництва харчових продуктів. Передбачається, що під час оптимальних умов обмерзання створюється правильна квадратна кристалічна структура [4]. Перевірку цього припущення можна підтвердити шляхом зображення льодових структур під час захисту насаджень від заморозків за допомогою рентгенівського випромінювання, що пояснюється в цій роботі. [5] і за допомогою мікроскопа [6], необхідно враховувати обидва методи, щоб мати можливість провести обстеження кристалічної структури в межах заповідного мікроклімату самої плантації. Якщо очікуються результати кристалізації, модель глазурі може бути використана для застосування в адитивній технології 3D-друку шляхом заморожування у воді, що пояснюється в наступній статті. [7]. Різниця полягає в тому, що 3D-умови використовували умови сухої атмосфери для контролю структури обледеніння, тоді як у цьому дослідженні моделювалося моделювання обледеніння при 100% відносній вологості лабораторного обладнання. На закінчення, кристалічна структура льоду має значний вплив на системи захисту від замерзання, а також на інші технічні застосування. Цілеспрямоване заморожування води з параметрами, скопійованими з реальних умов системи захисту від замерзання, і підтвердження формування кристалічної структури було б значним науковим проривом.
Іван Йович на ResearchGate