Légkeverésen alapuló fagyvédelmi eljárások

Elsőként a horizontális áramú légkeverő berendezéseket (szélgépeket) fejlesztették ki, a módszert Kaliforniában vezették be még az 1920-as évek elején. Napjainkra ez a legelterjedtebb légkeverésen alapuló fagyvédelmi technika. A helikopteres mezőgazdasági repülés elterjedése hozta magával azt, hogy a helikoptereket szerte a világon fagyvédelemre is használják, a repülés során a rotor keltette légörvényekkel keverik az ültetvény fölötti levegőt. Az 1990-es évek környékén kezdtek foglalkozni a függőleges légáramot létrehozó technológiák vizsgálatával, egyaránt vizsgálták a felfelé és a lefelé irányuló légáramot keltő berendezések hatékonyságát, felhasználási lehetőségeit.

Ahhoz, hogy a légkeverésen alapuló fagyvédelmi módszerek működését és annak korlátait megértsük, tisztában kell lennünk a fagy kialakulásának fizikai alapjaival.

A fagyok típusai

Általánosan két típusú fagyról beszélhetünk, az advekciós (szállított) és a radiációs (kisugárzásos) fagyról.

Advekciós fagy a sarkköri hideg levegő adott területre áramlásával jön létre. Gyakorisága területenként eltérő, azt jelentősen befolyásolja a sarkvidéktől való távolság és a topográfiai viszonyok (domborzat, tengerek, óceánok, stb.). Például a szállított fagy gyakorisága a déli földféltekén nulla, mivel a déli sarkot körülvevő óceán felmelegíti a felette áramló levegőt, így az a kontinenseket elérve már fagypont feletti hőmérsékletű.

Radiációs fagy általában téli vagy tavaszi éjszakákon keletkezik, amikor az égbolt teljesen tiszta és nincs semmilyen légmozgás. Az ilyen fagyok komoly gazdasági károkat képesek okozni, melyek mértéke nagyban függ a fagypont alatti hőmérsékletű időintervallumok hosszától és azok gyakoriságától is.

Nem szabad elfelejteni ilyen jellegű beruházás tervezése során, hogy a légkeverésen alapuló fagyvédelmi technológiák csak radiációs fagyok esetén nyújthatnak védelmet!

A radiációs fagy kialakulása

A légkör az elektromágneses sugárzás hosszú hullámhosszúságú (infravörös) tartományával szemben félig áteresztő. A Földről az űr irányába állandó az ilyen hullámtartományú sugárzás, ami energiaveszteséget okoz. Ám ennek a kisugárzásnak egy részét a légkör elemei (pára, köd, felhőzet, stb.) visszaverik, így mérsékelve az energiaveszteséget. A kisugárzásos fagy kialakulásához kedvező körülmények esetén először a talaj hűl le az említett energiavesztés miatt. Ez után a levegőnél hidegebb talaj egy fizikai folyamat, a radiációs transzmisszió (kisugárzásos hőátszármaztatás) révén a felette lévő levegőt is lehűti. (A levegő lehűlésében a radiációs transzmisszió mellett kis mértékben szerepet játszik még a turbulens és a molekuláris hővezetés is, de ezek mértéke elenyésző a hőátszármaztatáshoz képest.)

A levegő lehűlése erőteljesebb az alsó (pár 10 méteres) rétegben és egyre gyengül a légkörben felfelé haladva. Tehát a levegő hőmérséklete a magassággal arányosan emelkedik, közben a levegő sűrűsége a magassággal arányosan csökken.

Végső soron a növényi részek lehűlését az űrbe távozó kisugárzás által keletkező energiaveszteség és a légkör alsó rétegeiben lévő hidegebb levegővel való fizikai kapcsolat okozza. A növényi részek hőmérséklete nagyon hasonló vagy egyező lesz az alsó légréteg hőmérsékletével.

Vízszintes légáramú berendezések

A horizontális irányú légáramot keltő berendezések az úgynevezett szélgépek. Küllemükben kissé emlékeztetnek az elektromosáram-termelésre alkalmas szélkerekekre. Betontalapzaton álló, általában néhány méter (10-12 m) magas toronyra szerelt két- vagy négylapátos ventilátorok, a ventilátor átmérője 3 és 6 m között változik.

Szélgép egy ültetvényen (fotó: agrofrost.eu)

Léteznek kisebb kivitelű mobil változatok is, melyek trélerre szerelve könnyen szállíthatók.

Mobil szélgép szállításra készen (fotó: agrofrost.eu)

A torony tetején lévő ventilátor nem fix, hanem a torony tengelye körül körben forog, az átlagos körbefordulási idő 4-5 perc. A ventilátor állása lapos (5-7°) szögű, ezzel érhető el, hogy a magasabban lévő melegebb levegőt „leszívja’’ és a talajfelszín felé továbbítsa. A tapasztalatok szerint a 600 fordulat/perc sebességgel üzemelő szélgépek a leghatékonyabbak. A forgatáshoz szükséges energiát elektromos áram vagy a berendezés talapzatához telepített robbanómotor szolgáltatja. (Léteznek speciális kialakítású szélgépek is, melyek a különböző hőmérsékletű légrétegek keverése mellett a ventilátor lapátokra szerelt fűtőegységekkel (gázégő, stb.) plusz hőenergiát állítanak elő. Ezek hatékonyabbak lehetnek, de üzemeltetésük jóval drágább.)

A tapasztalatok szerint egy berendezés 100-130 méter sugarú körben képes megmozgatni maga körül a levegőt, a védekezés hatékonysága értelemszerűen csökken a berendezéstől távolodva. Ez azt jelenti, hogy egyetlen szélgép 3,5-5 hektár terület megvédésére lehet alkalmas. A védhető terület alakja enyhe légmozgás esetén ellipszis alakúra változik. Több szélgép együttes alkalmazása felerősíti az egyes berendezések hatását. Ha az egyes berendezések által védett területek némi átfedésben vannak és a ventilátorok forgása is összehangolt, akkor hőmérséklet-elosztás egyenletesebb, így a védekezés is hatékonyabb.

Tervezéskor általános alapelv, hogy egy önálló berendezés esetén hektáronként 20 kW motorteljesítménnyel kell számolni. Több párhuzamosan használt szélgép esetén 15 kW teljesítmény is elegendő. A berendezés működése során a 10-30 méteres és az 1-2 méteres magasságban lévő levegőt keveri össze, a felső rétegben található hőt osztja szét a környezetében. Jó esetben az ültetvényben a 2 méter magasságon mért hőmérséklet eléri a védetlen terület fölött 10-20 m magasságban lévő hőmérsékletet. A technológia nagy előnye, hogy a berendezés beindításától számítva fél órán belül érezhető a hatás.

A szélgépeket legkésőbb akkor kell beindítani, amikor a hőmérséklet eléri a kritikus nedves hőmérsékletet. Nedves körülmények között még hamarabb, hogy a légmozgás leszárítsa a növényekről a vizet, így elkerülhető, hogy jégréteg képződjön a növényeken. A gyakorlatban leginkább elterjedt, hogy az indítás már +1, +2°C nedves hőmérsékletnél megtörténik, így a hirtelen keltett légáram hűtő hatása által okozott fagykárosodás elkerülhető. Az indítás jól automatizálható, bár a működés felügyeletet igényel. A módszer hatékonyságát leginkább az befolyásolja, hogy milyen erős az inverzió, azaz a felső légrétegek hőmérséklete mennyivel magasabb. Az inverzió erőssége határozza meg védekezés hatásfokát. Erős inverzió esetén, optimális körülmények között a védett terület hőmérséklete 3-4 °C fokkal emelhető, ami azt jelenti, hogy -4-6°C fokos lehűlésig nyújthat védelmet.

Ha az inverzió gyenge és a védett terület fölött lévő levegő hőmérséklete alacsony, akkor a hatékonyság romlik. Szintén befolyásolja a hatékonyságot a légmozgás, 4-5 m/s fölötti szélsebességnél (14-18 km/h) mellett már egyáltalán nincs hatása a szélgépeknek. Szállított fagy esetén nincs melegebb felső légréteg a védett terület fölött, ezért ebben az esetben sem várható pozitív hatás. Amennyiben túlhűlt köd van a terület fölött, a szélgépek nem használhatóak, mert működés közben a lapátokra kifagyó víz eredményezte többletsúly károsíthatja a hajtásláncot és a lapátok törését okozhatja.

A szélgépek előnyei és hátrányai

Előnyök:

• relatíve olcsó üzemeltetési költség, amivel jó hatékonyság párosul
• jól automatizálható működtetés
• alacsony karbantartási igény
• nincsenek káros hatások növényzetre, a környezetre és a termesztéstechnológiára nézve
• az esetleges felesleges védekezés esetén nincs különösebb anyagi veszteség

Hátrányok:

• magas a működési zajszintjük (a helyi zajvédelmi szabályokat figyelembe kell venni)
• csak radiációs fagy esetén nyújtanak védelmet
• a hatékonyság nem egyenletes (nincs két egyforma fagyos éjszaka vagy hajnal), nagyban függ az adott védekezési időintervallum meteorológiai sajátosságaitól
• magas beruházási költség (8-12 millió Ft/berendezés)
• fajlagos beruházási költsége az egyik legmagasabb, 4-5 ha-nál kisebb ültetvényekben túl drága

Függőleges áramú légkeverő berendezések

A függőleges légáramot létrehozó berendezések közül a lefelé irányuló áramlást létrehozók nem terjedtek el, mivel a terepakadályok (tulajdonképpen maga a növényzet) keltette turbulencia olyan fokban rontja a hatékonyságot, hogy a védhető terület mérete nem éri el a gazdasági küszöböt.

A felfelé irányuló áramlást létrehozó ventillátorok már jobban megalapozottak, kereskedelmi forgalomban is kaphatóak, bár kellő számú tudományos vizsgálati és kísérleti eredmény még nem áll rendelkezésre, hogy egyértelműen megállapítható legyen hatékonyságuk a fagyvédelem terén.

A levegőt felfelé fújó berendezések használatának elve szintén azon alapszik, hogy radiációs fagy esetén az inverzió jelensége miatt a magasabban lévő légrétegek hőmérséklete is magasabb, mint a felszín felett 1-2 méterrel. A berendezés tulajdonképpen közvetlenül a felszín feletti, legnagyobb sűrűségű és legalacsonyabb hőmérsékletű levegőt szívja el a területről és továbbítja (fújja) azt a felső légrétegekbe. A felfelé áramló hideg levegő keveredik a fenti melegebb levegővel. A kialakuló hőmérsékleti különbség és a keletkező turbulenciák következtében ez a felfelé áramló levegő a legmelegebb réteget elérve leegyszerűsítve tulajdonképpen visszafordul a talaj felé.

A függőleges légaramú rendszer működésének elvi vázlata (forrás: frostprotection.com)

A berendezés használatával elvileg a felső, melegebb rétegekben lévő levegő folymatosan lefelé áramlik, megnövelve ezzel a felszín feletti levegő hőmérsékletét. A módszer még hatékonyabban működik abban az esetben, ha a védett területet úgymond gátak veszik körül. Ezek a gátak lehetnek természetes falak, pl. növényzetből, vagy mesterségesen építettek (általában fóliából épített néhány méter magas függönyök). A gátak, melyek körbe veszik a védendő területet, megakadályozzák azt, hogy egy a meghatározott magasság alatt a védetlen területekről is beáramoljon a felszín feletti réteg hideg levegője.

A felesleges légbeáramlást megakadályozó gátak (forrás: frostprotection.com)

A gátak használatával jóval kisebb hideg légtömeggel kell megküzdenie a berendezésnek, a felszín feletti, tulajdonképpen felmelegített levegő sem keveredik a kívülről beáramló hideg levegővel, így a védekezés hatékonyabbá válik.

A függőleges légáramot létrehozó berendezések egyszerű felépítésűek, egy lábakon álló, lefelé fordított tölcsérhez hasonlítható fémlemez építményben helyet foglaló, nagy teljesítményű ventilátor a gép lelke.

Függőleges légáramú légkeverő (forrás: frostprotection.com)

A berendezés lábakon áll, a beszívási magasság mindössze 0,5 méter. Ez biztosítja, hogy a legalsó és leghidegebb levegőt szívja be és továbbítsa a felső rétegekbe. A berendezések paraméterei a védendő terület méretei, igényei szerint változnak. A kisebb teljesítményű ventilátorokkal szerelt berendezések elektromos meghajtásúak, a nagyobb teljesítményre képesek üzmeltetéséhez általában traktor TLT szükséges.

Az egy berendezés által megvédhető terület a berendezés műszaki paramétereitől függően 0,5 és 20 hektár között változhat. A védhető terület méretét jelentősen befolyásolja a domborzat, például a mélyebb fekvésben csökken, mivel ott nagyobb mennyiségű hideg levegő gyűlik össze, ami működés közben is gyorsan pótlódik.

A beruházási költségeket tekintve pontos adatokkal nem rendelkezünk, mivel Európában az ilyen jellegű berendezések még nem elterjedtek. A gyártó példája szerint egy 15 ha-os ültetvény védelmére alkalmas berendezés telepítési költsége 9-10 millió forint lehet, melyhez még adott esetben hozzájárul az üzemeltetéshez szükséges erőgép, traktor költsége is. Az üzemeltetési költségeket tekintve azonban a legolcsóbb megoldásként hirdetik. A kísérleti erdemények szerint a hektáronkénti üzemeltetési költség a szélgépek üzemelési költségeihez viszonyítva annak csak egy tizede.

Az előnyöket és a hátrányokat tekintve azok nagyon hasonlóak a szélgépeknél tárgyaltakhoz. Mivel sem európai, sem hazai gyakorlati tapasztalatokkal nem rendelkezünk a függőleges légáramú berendezésekkel kapcsolatban, telepítésüket sem javasolni, sem elutasítani nem tudjuk.

Helikopteres fagyvédelem

A helikopteres fagyvédelem egyidős a mezőgazdasági repüléssel, és ugyan azon a jelenségen alapul, mint az eddig tárgyalt módszereknél. A légrétegek keverésére itt ahelikopter rotorja által keltett turbulenciákat használják fel.

Beruházási költsége nincs, mivel az eljárást szolgáltatás keretében vásárolhatjuk meg vállalkozástól, azonban az üzemeltetés igen költséges, mivel a helikopterek óradíja 250-300 ezer forint körül van. Így egy több órán át tartó védekezés milliós tétel is lehet, a siker pedig nem garantálható.

A hazai alkalmazási lehetőségek egyébként is igen korlátosak, mivel kevés számú, a feladatra alkalmas helikopter áll rendelkezésre.

agrotrend.hu / NAK