Efficient nutrient solution cooler based on adsorption refrigeration system for hydroponic greenhouses

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

BACKGROUND: Agriculture performance is directly related to the proper soil moistening. The moistening nutrient solution should have an optimal temperature (19–24°C), providing a sufficiently high oxygen content in the solution and a generally favorable climate for plants. The temperature of the nutrient solution is of particular importance in countries and regions with dry and hot climate, where the main task is to cool the soil when moistened. A large amount of resources is used to cool the nutrient solution, which significantly increases the production cost.

AIM: To develop an efficient, cost-effective, and sufficiently versatile nutrient solution cooling system for greenhouse crop production.

METHODS: To achieve the aim, we used an advanced adsorption refrigeration system (ARS) powered by secondary and waste heat sources for cooling and some previously developed innovative thermal units.

RESULTS: The use of methyl alcohol (methanol) as a refrigerating agent allowed to reduce the temperature of the heating source to 60–75°C, significantly increase operational flexibility of the ARS, and make it more independent of energy supplies. Hardened activated carbon is used as an adsorbent for the refrigeration system. These improvements allowed to double the system’s performance (with the same adsorber dimensions) and reach a significantly lower boiling point in the evaporator (-5°C...-2°C) compared to the existing commercial alternatives (e.g. adsorption chillers by SorTechAG, Germany).

To intensify the nutrient solution cooling, some cooler designs have been upgraded. We developed a compact, high-performance design of a hydroponic solution cooler, which uses heat pipes (two-phase thermosiphons). Heat pipes in the hydroponic solution cooler allow to increase the amount of transferred heat by several times. The solution cooler design provides for solution recirculation or its mixing using a screw agitator, significantly increasing the heat transfer coefficient when cooling the solution.

CONCLUSION: A high-performance nutrient solution cooler has been developed using hydroponic technologies and an adsorption refrigeration system, where methyl alcohol is used as the refrigerating agent and activated carbon is used as an adsorbent. Significant power savings are achieved through the use of secondary and sufficiently low-potential heat sources.

About the authors

Ilya N. Mirmov

Institute for Nuclear Research, Russian Academy of Science

Author for correspondence.
Email: miily@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0001-2434-7661
SPIN-code: 7958-6128

Cand. Sci. (Engineering)

Russian Federation, Troitsk, Moscow

Naum I. Mirmov

Company 3R-Technology

Email: naumir@yandex.ru

Cand. Sci. (Engineering)

Israel, Haifa

Sergey A. Schiptsov

Inter RAO LLC – Procurement Management Center

Email: pd6@bk.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Texier W. Hydroponics for Everyone. All About Home Gardening. Moscow: HydroScope; 2013. (In Russ.)
  2. Bentley MB. Industrial Hydroponics. Moscow: Kolos; 1965. (In Russ.)
  3. Souss IM, Chaibi MT, Buchholz M, Saghrouni Z. Comprehensive Review on Climate Control and Cooling Systems in Greenhouses under Hot and Arid Conditions. Agronomy. 2022;12:626. (In Russ.) doi: 10.3390/agronomy EDN: MGCOSQ
  4. Uzakov GN, Aliyarova LA, Toshmamatov BM. Thermal Engineering Calculation of Air Humidity Treatment Systems in Greenhouses with an Air Solar Collector. Universum: tekhnicheskienauki: elektron. nauchn. zhurn. 2021;3(84). (In Russ.) Accessed: 28.12.2024. Available from: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/11418
  5. Campiotti CA, Morosinotto G, Puglisi G, et al. Performance Evaluation of a Solar Cooling Plant Applied for Greenhouse Thermal Control. Agric. Agric. Sci. Procedia. 2016;8:664–669. doi: 10.1016/j.aaspro.2016.02.076
  6. Buchholz M. Innovative technologies and practices to reduce water consumption. In: Unlocking the Potential of Protected Agriculture in the Countries of the Gulf Cooperation Council Saving Water and Improving Nutrition; FAO: Cairo, Egypt. Cairo; 2021:85–95.
  7. Soussi M, Balghouthi M, Guizani A. Energy performance analysis of a solar-cooled building in Tunisia: Passive strategies impact and improvement techniques. Energy Build. 2013;67:374–386. doi: 10.1016/j.enbuild.2013.08.033
  8. Soussi M, Balghouthi M, Guizani AA, Bouden C. Model performance assessment and experimental analysis of a solar assisted cooling system. Sol. Energy. 2017;143:43–62.
  9. Mirmov IN, Mirmov NI. Use of solar energy and secondary heat sources for obtaining cold. Refrigeration Technology. 2011;9:44–48. (In Russ.) EDN: PGQCIH
  10. Mirmov NI, Mirmov IN. Absorption refrigeration machines for obtaining negative temperatures. Proceedings of BSTU, Scientific journal. 2017;1(2(198)):328–339. (In Russ.)
  11. Mirmov IN, Mirmov NI, Shiptsov SA. Two-stage combined-type refrigeration machines. Refrigeration Technology. 2018;9:42–46. (In Russ.) EDN: MGFXJJ
  12. Mirmov IN, Mirmov NI. A new generation of sorption refrigeration machines and heat pumps. kriofrost.academy. November 23, 2023. Accessed: 28.12.2024. Available from: https://kriofrost.academy/lenta/blog/novoe-pokolenie-sorbcionnyh-holodilnyh-mashin-i-teplovyh-nasosov/?ysclid=m6tbv67c7o634705595
  13. Patent RUS 2827276 / 23.09.2024. Mirmov IN, Mirmov NI, Shchiptsov SA. Cooling system for nutrient solution in hydroponic technologies for growing crops. (In Russ.) EDN: CAIKJM
  14. Patent RUS 2827279 / 23.09.2024. Mirmov IN, Mirmov NI. Nutrient solution cooler. (In Russ.) EDN: QSETHC

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Basic flow chart of a hydroponic solution cooling system with an adsorption refrigeration system (ARS) (see the text for the details).

Download (431KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. New generation methanol adsorption refrigeration system (see the text for the details).

Download (338KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Cross-section of the adsorber (Adb) for the refrigeration system with a loose fill adsorbent.

Download (149KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Nutrient solution cooler with cooled solution recirculation.

Download (303KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Solution cooler with a screw-type mixing device and a diffuser nozzle.

Download (141KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. High-performance heat pipe solution cooler.

Download (395KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».