Ice-breaking: the physics of the process and practice

Full Text

Физика процесса

В последние годы заметно возрос интерес к строительству разнообразных ледовых полей: арен Дворцов спорта, хоккейных площадок, различных катков - от тренировочных, демонстрационных и вплоть до развлекательных в торговых центрах и крупных магазинах. Но, к сожалению, ключевым в этом словосочетании оказалось слово строительство, и именно этому, как правило, уделяется наибольшее внимание. Однако сам КАТОК или ЛЕДОВОЕ ПОЛЕ - это прежде всего огромный теплообменник, предназначенный для работы в принципиально различных условиях и режимах.

Первый режим - это первоначальный отвод теплоты от «технологического пирога» ледового поля и последующее его промораживание.

Второй, и наиболее напряженный, режим - это интенсивный отвод теплоты от последовательно набрызгиваемых слоев воды в процессе их постепенного намораживания. При этом плотность теплового потока должна, с одной стороны, обеспечивать охлаждение воды и фазовый переход «вода-лед», а с другой - компенсировать неизбежные теплопритоки из окружающего воздуха к поверхности воды. С точки зрения процесса теплообмена функционально необходимый «технологический пирог» представляет собой дополнительное термическое сопротивление.

После завершения намораживания льда требуемой толщины, его доводки и шлифовки весь «теплообменник» переходит в режим компенсации внешних теплопритоков, т.е. тепловая нагрузка существенно снижается и определяется исключительно суммарной величиной теплопритоков: из окружающего воздуха, от конденсационной составляющей, радиационных, из грунта, от осветительных приборов и т.д.

Теплотехнический расчет ледового поля как теплообменного аппарата сводится к следующему.

• На основе энергетического баланса с учетом времени, необходимого для намораживания льда, определяют суммарную величину отводимого теплового потока (или же суммарную холодопроизводительность машин).
• Разрабатывают конструкцию трубной системы ледового поля, собственно и являющуюся внутренней поверхностью «теплообменника».
• Рассчитывают (в первом приближении) режимные характеристики течения хладоносителя в трубах: расход, скорость, распределение по различным участкам трубной системы с учетом гидравлического сопротивления отдельных контуров и коллекторов.
• На основе критериальных уравнений находят среднее значение коэффициента теплоотдачи от внутренней поверхности труб к хладоносителю. Этот коэффициент оказывается практически единственным параметром, в значительной мере влияющим на интенсивность теплоотвода, так как для закрытых катков условия теплоотдачи со стороны наружного воздуха, как правило, заданы, а перечень строительных материалов технологической плиты достаточно ограничен.
• Проводят поверочный расчет соответствия выбранных конструктивных и режимных параметров трубной системы суммарной холодопроизводительности машин. Этот расчет определяет минимальные значения скорости циркуляции хладоносителя и суммарной поверхности труб, а также взаиморасположение последних, позволяющие за требуемый отрезок времени отвести количество теплоты, необходимое для замораживания плиты и намораживания слоя льда.

Отметим, что неверный расчет приводит к тому, что часть суммарной холодопроизводительности машин не может быть использована из-за ограниченной теплопередающей способности трубной системы катка. В худшем случае кондиционный лед не будет наморожен даже при соблюдении регламентированных международными стандартами норм по удельной холодопроизводительности.

Рекомендуемый и используемый нами теплофизический расчет сводится к решению многокритериальной обратной задачи исследования операций по определению конструктивных и режимных параметров наиболее напряженного периода, когда толщина слоя льда приближается к конечному значению. В этот момент суммарное термическое сопротивление «пирога» из плиты и слоя льда достигает максимального значения.

В качестве целевой функции оптимизации в зависимости от требований заказчика могут быть выбраны следующие параметры:

• минимум материальных затрат на трубную систему катка (суммарная длина труб, как правило, составляет десятки километров);
• максимум энергетической эффективности процессов намораживания и поддержания ледовой поверхности;
• минимальная стоимость 1 м² ледового поля, включая несущую, теплогидроизоляционную и технологическую его части и т.д.

Несмотря на большой практический опыт, накопленный как зарубежными, так и отечественными фирмами, многие оптимизационные вопросы еще не решены. В частности, в настоящее время решаются такие задачи, как:

• расчет максимально возможного расстояния между осями труб в технологической плите, при котором экономия, обусловленная уменьшением суммарной длины труб, становится соизмеримой с увеличением энергетических потерь;
• определение диапазона скоростей хладоносителя, в котором достигается необходимая интенсивность теплоотдачи при минимально возможных энергозатратах на циркуляционную систему.

При этом, все-таки, основным критерием, подтверждающим правильность выбора структуры теплопередающей поверхности и оборудования, является высокое качество льда.

В беседах со многими известными фигуристами часто звучит мысль о том, что при прочих равных условиях лед бывает легким или тяжелым, мягким и пластичным или жестким и ломким. Некоторые также высказывают мнение, что такое понятие, как СПОРТИВНЫЙ ЛЕД, ни один печатный орган, ни одна структура никогда не считали серьезной темой для исследования и обсуждения...

Тем не менее дело не только в сугубо эмоциональной и субъективной оценке: при одних и тех же температурах качество льда различается по весьма конкретным и технически определенным параметрам. Наиболее важные свойства спортивного льда - это деформативная прочность, прозрачность, отсутствие грязных осадков, неоднородных включений и т.д. Факторы, определяющие перечисленные показатели, условно могут быть разделены на две группы: химические и режимные. Под режимными факторами понимается не только скорость намораживания льда, но и дисперсность распыления частиц воды и толщина наносимого слоя. Скорость намораживания во многом обусловливает и наличие пузырьков воздуха в «теле» льда (так, при скорости намораживания 0,5 мм/мин 1 см³ льда содержит примерно 6 пузырьков воздуха, а при скорости 5 мм/мин число их достигает 300). Наличие воздуха, в свою очередь, делает лед не только матовым и непрозрачным, но и негативно сказывается на долговременной прочности льда, способствует его упругой и пластической деформации, а также снижает способность к режеляции, т.е. к повторному замерзанию после плавления в результате кратковременного воздействия силы с периодом менее 1 с, каковой является воздействие скользящего конька.

Особое внимание должно быть уделено специальной обработке воды в целях удаления различных веществ и механических примесей, влияние которых характеризует таблица, построенная по данным Эренфельда и Джибса, полученным применительно к производству ледяных блоков.

 

Таблица

Примеси, содержащиеся в воде	Влияние на качество льда	Результат обработки воды
Углекислый кальций	Образует грязный осадок обычно в нижней части и центре блока. Вызывает растрескивание при низких температурах	Практически удаляется
Углекислый магний	Образует грязный осадок и пузырьки. Вызывает растрескивание при низких температурах	То же
Оксиды железа	Дают желтые или коричневые осадки и окрашивает кальциевый и магниевый осадки	Удаляются
Оксиды алюминия и кремний	Дают грязный осадок	Практически удаляется
Взвешенные вещества	То же	Устраняются
Сернокислый натрий, хлористый натрий и сернокислый кальций	Создают белые пятна, концентрируются в сердцевине. Дают большие непрозрачные сердцевины и задерживают замерзание. Не дают осадков	Не изменяются
Хлористый кальций и сернокислый магний	Дают зеленоватый или сероватый налет; концентрируются в сердцевине; задерживают замерзание и дают большие непрозрачные сердцевины	Превращаются в сернокислый кальций
Хлористый магний	Часто проявляется в виде белых пятен. Не дает осадка	Превращается в хлористый кальций
Двууглекислый натрий	Даже в небольших количествах при температурах ниже -9°С часто вызывает растрескивание. Создает белые пятна, концентрируется в сердцевине, задерживает замерзание. Дает большую непрозрачную сердцевину. Осадка не образуется	Превращается в углекислый натрий. Вид льда немного улучшается

 

Из сказанного выше ясно, что специализированная фирма, проектирующая раздел «Холодоснабжение ледового поля», должна в полной мере располагать данными по современным методам очистки воды и комплексной водоподготовке применительно к различным регионам России.

Практика

Из тайн «ледоварения»: технология заливки ледового покрытия на примере стадионов для игры в хоккей с мячом

Сегодня в России действует шесть открытых искусственных ледовых стадионов для игры в хоккей с мячом. Четыре из них (в Архангельске, Сыктывкаре, Красноярске и Кемерове) спроектированы и построены финскими и шведскими фирмами, два (в Казани и подмосковном Красногорске) - отечественными фирмами. На всех этих катках возникают технологические проблемы при подготовке и поддержании качественного льда, обусловленные необходимостью, во-первых, удалять воздух из засыпной конструкции ледового поля в процессе намораживания льда и, во- вторых, исключать (или сводить к минимуму) количество трещин на ледовой поверхности.

 

Ледовый стадион «Зоркий» (г. Красногорск) — доводочные работы по подготовке ледовой поверхности

 

Эксплуатация открытых спортивных объектов с искусственным льдом начинается в конце сентября - первой половине октября, когда максимальная суточная температура окружающего воздуха не превышает 10 °С. Очевидно, что одним из основных факторов, влияющих на процесс намораживания льда открытых катков для хоккея с мячом, является квалификация службы эксплуатации ледового сооружения. Не менее важное значение при создании ледового покрытия при положительной температуре окружающего воздуха имеет правильный выбор ковра с искусственной травой, укладываемого на поверхность засыпной охлаждаемой технологической плиты. Помимо высокой теплопроводности составляющих ковер материалов он должен свободно пропускать воздух и воду сквозь свою основу, быть эластичным т.е. заполнять все неровности и пазухи в поверхности технологической плиты. При неправильно выбранном ковровом покрытии добиться качественного ледового покрытия невозможно!

В настоящее время, по мнению специалистов, лучшими перфорированными коврами с искусственной травой для ледовых сооружений являются ковровые покрытия финской фирмы Saltex, включаемые нами в проекты.

Намораживание и поддержание искусственного льда на ледовых полях с искусственным травяным покрытием проводится в несколько этапов:

• обильная пропитка гравийного основания водой;
• захолаживание влажного основания;
• намораживание тонкого слоя льда отдельно на каждом участке поля;
• намораживание льда по всей поверхности поля и его поддержание.

На первом этапе выполнение работ зависит от погодных условий. При температуре воздуха, превышающей расчетную температуру поддержания искусственной ледовой поверхности (особенно в солнечную погоду), орошение поля следует производить из максимально возможного количества шлангов, чтобы исключить его высыхание. Большое значение имеет достоверный прогноз погодных условий. Учитывая природные осадки, можно с максимальной экономией воды спланировать работы по пропитке основания поля.

Пропитка поверхности поля водой выполняется без специальных насадок и в зависимости от погодных условий требует около 2 сут. В процессе пропитки необходимо ручным катком постоянно уплотнять гравийную структуру технологической плиты через ковровое покрытие.

Второй этап - захолаживание влажного основания поля - начинается с включения в работу системы холодоснабжения ледового поля. Понижение температуры хладоносителя в процессе захолаживания должно производиться постепенно, не более чем на 1...2°С в час. Захолаживание целесообразно начинать вечером. Оно продолжается до появления устойчивого инея на поверхности искусственного травяного покрытия и длится также около 2 сут.

Цель третьего этапа - получение по всей поверхности поля устойчивого качественного льда толщиной 40...50 мм. Из-за большой трудоемкости этот процесс выполняется в течение 4-5 сут. Он разделяется на несколько стадий, первой из которых является намораживание «чернового» льда. Вода наносится на охлажденную поверхность поля уже через специальные насадки - распылители, подсоединяемые к шлангам. Мелкодисперсное распыление воды обеспечивает ее быстрое схватывание с охлажденной поверхностью. При этом рекомендуется применять позонную заливку льда. По достижении по всей поверхности поля толщины льда 6-10 мм ледовое покрытие рекомендуется раскрошить поломать) для придания структуре ледового покрытия большей прочности и устойчивости к температурным деформациям, приводящим к образованию крупных трещин при понижении температуры окружающего воздуха до -12 °С. Крошение льда выполняют с помощью ручного асфальтового катка или легкого садового мотоблока.

После ломки процесс намораживания «чернового льда» осуществляется слоями толщиной не более 1-2 мм по всей поверхности поля одновременно. Таким образом, давая каждому слою возможность замерзнуть, толщину «чернового» ледового покрытия доводят до 30 мм, после чего производят грубое шлифование льда с помощью льдозаливочных машин типа «Олимпия» и разметку поля.

Рабочее ледовое покрытие («товарный лед») получают с помощью льдозаливочных машин, послойно заливающих теплую умягченную воду с температурой не ниже 40°С.

Контролируемая толщина ледового покрытия в период эксплуатации катка должна постоянно поддерживаться в пределах 40...50 мм, температура поверхности льда должна составлять -5°С. При понижении температуры окружающего воздуха ниже -8°С холодильные машины выключаются, ледовое покрытие поддерживается за счет естественного холода.

 

Мелкодисперсное разбрызгивание воды — создание «товарного льда»

 

Включение холодильных машин в зимний период осуществляется только при резких оттепелях, чтобы исключить таяние ледовой поверхности.

При резком понижении температуры воздуха, когда поверхность льда охлаждается до -12°С, целесообразно по возможности подводить к ледовой поверхности тепло путем периодического включения циркуляционных насосов без включения холодильных машин.

Для систем холодоснабжения ледовых полей в климатических зонах, где температура воздуха в зимний период года может резко колебаться, целесообразно предусмотреть систему подогрева и поддержания заданной температуры хладоносителя в трубной системе ледового поля. Это позволит исключить как появление крупных трещин на ледовой поверхности, так и ее перемораживание, мешающее спортивным тренировкам.

В заключение отметим, что в данной статье изложены общие принципы и подходы к расчету, проектированию и заливке ледовых полей. Для каждого конкретного заказчика авторами выполняется индивидуальный комплекс инженерных расчетов и технологических рекомендаций в зависимости от назначения объекта, климатических условий и особенностей эксплуатации. Наш опыт проектирования ледовых сооружений показал, что такой подход одинаково важен и экономически оправдан как для крупных ледовых арен Дворцов спорта, так и для малых тренировочных катков, строящихся, как правило, при весьма скудном финансировании.

About the authors

B. A. Kuznetsov

State Enterprise Refrigeration and Engineering Center OOO

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation

G. Yu. Goncharova

State Enterprise Refrigeration and Engineering Center OOO

Email: info@eco-vector.com

Candidate of Technical Sciences

Russian Federation

H. Leppyanen

ABB-Elmec OOO

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation

References

Supplementary files