Nguyên lý của công nghệ đông lạnh nước phụ gia để tạo ra cấu trúc tinh thể băng thành mỏng Phân tích và ảnh hưởng của các thông số đóng băng đến độ dày và độ trong suốt của cấu trúc băng bảo vệ nhằm mục đích phát triển hệ thống bảo vệ băng giá
Trừu tượng:
Phân tích biến đổi khí hậu và theo dõi chu kỳ sản xuất lương thực ngoài trời trong 5 năm qua chỉ ra sự xuất hiện của sương muối đầu xuân là hiện tượng ảnh hưởng đáng kể đến sản lượng. Sự bắt đầu của băng giá chủ yếu dẫn đến mất mùa hoàn toàn cho mùa vụ sắp tới, và ngay cả bảo hiểm của chi không bao gồm tất cả các thiệt hại. Vì vậy, cần phải áp dụng các biện pháp bảo vệ tích cực và giảm thiểu rủi ro trong sản xuất lương thực. Một trong những biện pháp bảo vệ đó là hệ thống bảo vệ chống lại sương giá (mưa), dựa trên hiện tượng dị thường của nước, khi năng lượng được giải phóng trong quá trình chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn của nước. Năng lượng này được sử dụng để duy trì nhiệt độ của hoa và quả non trong khoảng 0 đến 2 ° C. Trong quá trình bảo vệ rừng trồng như vậy, lớp vỏ băng được hình thành trên hoa và quả, có nhiệt độ là 0 ° C. Lớp băng này bảo vệ đồn điền bằng hiệu ứng kim châm (chất cách điện lý tưởng). Các hệ thống bảo vệ hiện đại áp dụng công nghệ tạo không khí bão hòa hoàn toàn (100% độ ẩm tương đối) trong vi khí hậu được bảo vệ, giúp tiết kiệm đáng kể lượng nước cần thiết trong quá trình bảo vệ, do đó loại bỏ sự bay hơi và tiết kiệm năng lượng cần thiết để duy trì tinh thể băng thành mỏng cấu trúc ở 0 ° C. Những tiến bộ hơn nữa trong công nghệ đòi hỏi một mô hình hoạt động năng động của các hệ thống với cường độ mưa nước thay đổi tùy thuộc vào điều kiện thời tiết hiện tại. Lý do là cần phải duy trì cấu trúc tinh thể của đá (nước đá trong suốt) với lượng nước tiêu thụ tối ưu suốt đêm để đảm bảo bảo vệ trái cây khỏi nhiệt độ âm bên ngoài. Các thông số có thể ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể của băng là nhiệt độ, độ ẩm, gió và cường độ nước nhỏ giọt với kích thước của các giọt nước. Mục tiêu chính của nghiên cứu này là phân tích ảnh hưởng của các thông số đóng băng nước đến độ dày và độ trong suốt của cấu trúc băng bảo vệ. Các kết quả thu được sẽ là cơ sở cho việc phát triển quản lý tiên tiến hệ thống bảo vệ băng giá và phát triển các loại vòi phun nước mới với cường độ mưa thay đổi.
Từ khóa:
chất cách điện, mưa, băng tinh thể, nhiệt tiềm ẩn, hệ thống bảo vệ sương giá, nước
Tổng quan các tác phẩm trước:
Hệ thống tưới nước mưa đã có mặt trong 50 năm qua được sử dụng như hệ thống bảo vệ băng giá nhưng chưa được bán trên thị trường để ứng dụng rộng rãi hơn vì bản thân chúng là những người tiêu thụ lớn nước và năng lượng. Năng lực vận chuyển và công suất cần thiết để vận hành hệ thống (máy bơm) cũng không thể tiếp cận được đối với nhà sản xuất thực phẩm trung bình. Các hệ thống bảo vệ chống sương giá thông thường tiêu thụ trung bình từ 4 đến 8 lít / m2 nước và được sử dụng chủ yếu để bảo vệ vườn táo và lê thâm canh. Nguyên nhân là do đóng băng một lượng lớn nước trong thời gian làm việc lâu hơn, một lớp băng dày và nặng được tạo ra, gây ra những hư hỏng cơ học bên trong đồn điền. Có hiện tượng hư hỏng cơ học đối với hoa và quả, thậm chí nứt cành do sức nặng của nước đá [1]. Một nghiên cứu tài liệu đã không tìm thấy phân tích và tác động của hệ thống nước mưa với độ ẩm tương đối 100% trong vi khí hậu của các đồn điền. Hiệu quả của một hệ thống như vậy trên các khu vực lớn hơn (trên 50.000 m) đã được xác nhận bằng lời truyền miệng từ nhà tích hợp công nghệ2) do tạo ra một vi khí hậu năng lượng riêng biệt. Bộ tích hợp cho biết hoạt động hiệu quả của hệ thống với lưu lượng từ 1 đến 2 lit / m2 nước. Những dữ liệu này cung cấp cơ sở cho nghiên cứu chi tiết, đặc biệt là khi cấu trúc tinh thể băng vỏ mỏng được hình thành với các đặc tính nhiệt độ tốt hơn so với các hệ thống thông thường. Hệ số dẫn nhiệt của nước đá là 2,2 W / mK và không thể được xếp vào danh mục chất cách điện tốt. Mặc dù vậy, băng ở điểm chuyển tiếp giữa pha kết hợp lỏng và rắn, "băng ướt" ở 0 ° C và do đó hoạt động như một giới hạn cách nhiệt lý tưởng cho sự truyền nhiệt. Sự truyền nhiệt được mô tả trong quá trình bảo vệ sẽ là một mặt có tác động tiêu cực của nhiệt độ bên ngoài giảm mạnh lên bề mặt tiếp xúc bên ngoài của cấu trúc băng tinh thể vỏ mỏng, nơi có đóng băng liên tục và sương nước mới. Trong điều kiện lý tưởng, băng đóng băng duy trì nhiệt độ 0 ° C trong suốt độ dày của nó và vẫn trong suốt như pha lê mà không có bất kỳ sự bất thường nào trong cấu trúc tinh thể. Bên dưới cấu trúc tinh thể trên bề mặt tiếp xúc giữa nước đá và quả là một màng nước ướt đảm bảo mô quả không bị đông cứng. Bất kỳ sự đông lạnh nào của mô đều dẫn đến biến dạng hoặc giảm chất lượng trái cây [2]. Một mô hình máy tính để mô phỏng sự xuất hiện của băng giá đã được đưa ra trong các công trình trước đây [3] và nó là cơ sở tuyệt vời cho sự phát triển của một mô hình quản lý hệ thống bảo vệ chống băng giá. Bài báo xác định chính xác nhu cầu năng lượng tùy thuộc vào vị trí vi mô và hình dạng của các đồn điền và ảnh hưởng thay đổi của khí hậu. Mở rộng mô hình bao gồm bảo vệ băng giá chủ động dưới dạng hệ thống nước mưa sẽ là một bước tiến đáng kể cho sản xuất lương thực toàn cầu. Giả thiết là trong các điều kiện đóng băng tối ưu, một cấu trúc tinh thể vuông đều được tạo ra [4]. Việc xác minh giả định này có thể được chứng minh bằng hình ảnh cấu trúc băng trong quá trình bảo vệ đồn điền khỏi sương giá bằng tia X, được giải thích trong bài báo này. [5] và sử dụng kính hiển vi [6], cả hai phương pháp đều cần được xem xét để có thể tiến hành khảo sát cấu trúc tinh thể trong vùng vi khí hậu được bảo vệ của chính đồn điền. Nếu kết quả kết tinh được mong đợi, mô hình đóng băng có thể được sử dụng để ứng dụng trong công nghệ phụ gia của in 3D bằng cách đóng băng nước, được giải thích trong bài báo sau [7]. Sự khác biệt là điều kiện 3D sử dụng điều kiện khí quyển khô để kiểm soát cấu trúc đóng băng trong khi trong nghiên cứu này mô phỏng đóng băng ở độ ẩm tương đối 100% của thiết lập phòng thí nghiệm. Kết luận, cấu trúc tinh thể của băng có tác động đáng kể trong các hệ thống bảo vệ băng giá cũng như các ứng dụng kỹ thuật khác. Việc đóng băng nước có mục tiêu với các thông số được sao chép từ các điều kiện thực tế của hệ thống bảo vệ băng giá và chứng minh sự hình thành cấu trúc tinh thể sẽ là một bước đột phá khoa học quan trọng.
