CC BY
13РАЗРАБОТКА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ СОЗДАНИЯ
«СКОРОСТНОГО ЛЬДА»
1 2 3
Г.Ю. Гончарова , С.И. Нефедкин , М.В. Загайнов
'ООО «ГП Холодильно-инженерный центр» Москва, ул. Костякова, 12 Тел.: (8-495) 6107681 2Московский энергетический институт (технический университет) г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14 e-mail: fdp-all@mpei.ru 3СК «Крылатское» 119331, г. Москва, ул. Крылатская, 16 +7 (495) 1417265
Была разработана и апробирована физическая модель формирования ледового массива и выработаны общие принципы удаления собственных и примесных ориентационных дефектов кристаллической решетки. Проведено дозирование в микроконцентрациях ряда примесей, способных делать лед более мягким.
DEVELOPMENT OF PHYSICOCHEMICAL METHODS FOR "HIGH-SPEED ICE" PRODUCTION
G.Yu. Goncharova1, S.I. Nefyedkin2, M.V. Zagaynov3
'"SE Refrigerating-engineering centre" Ltd. 12, Kostyakova str., Moscow Phone: (8-495) 6107681 2Moscow Energy Institute (Technical University) 14, Krasnokazarmennaya str., Moscow e-mail: fdp-all@mpei.ru 3SC "Krylatskoye" 16, Krylatskaya, Moscow, 119331 +7 (495) 1417265
A physical model for formation of the ice solid has been worked out and tested, and general principles for removal of doped orientational and inherent defects of the crystalline lattice have been developed. Proportioning of a number of additives in micro concentrations capable of the ice softening has been done.
ЛЕДНИКОВАЯ ЭНЕРГЕТИКА
ICE ENERGY
Крытый конькобежный центр в Крылатском (ККЦ) построен в 2004 г. по инициативе Московского правительства в короткие сроки. По уровню технического оснащения, составу холодильного оборудования, спортивно-технологических и инженерных систем он вполне может и обязан стать одной их ведущих конькобежных арен мира, а также базой для подготовки нового поколения российских скороходов.
Не секрет, что все без исключения мировые конькобежные центры уже давно работают над проблемой «скоростного льда», привлекают мощный научный потенциал, создают специализированные лаборатории, которые разрабатывают методы, целенаправленно изменяющие скользящие свойства ледовой поверхности. И работы эти, естественно, закрытые. Никто не спешит делиться результатами, так как каждое улучшение абсолютных скоростных дости-
жений работает, прежде всего, на рейтинг и ледового центра, и всей страны и, как следствие, формирует представление об их месте в мировой табели о рангах. Чем большее количество рекордов установлено на конкретном катке, тем чаще Международный союз конькобежцев (ШИ) проводит на нем мировые первенства и Кубки, и эти мероприятия, в свою очередь, способствуют не только подъему национальный престижа, но и приносят значительные экономические выгоды.
Учитывая важность первых стартов на первом в России крытом конькобежном комплексе, на стадии подготовки к чемпионату мира 2005 г. руководство ККЦ «Крылатское» поручило предприятию «ГП Хо-лодильно-инженерный центр» создать научную группу, задачами которой был поиск и обобщение всей существующей информации о результатах наи-
более успешных зарубежных исследований в области подготовки и эксплуатации скоростного льда, а также реализации «скоростного льда» на ККЦ. Нам была предоставлена возможность выбора: либо пытаться копировать и воспроизводить в наибольшем приближении методы ведущих мировых конькобежных центров, либо на основе собственных исследований разрабатывать свою, принципиально иную физическую модель скоростного льда и методов химического воздействия на скользящие свойства поверхности. Мы выбрали второй путь. Многолетний опыт пребывания «в теме» и возможность реального сотрудничества с ведущими российскими учеными стали нашей стартовой позицией. Тем более что российские ученые традиционно занимали ведущие позиции в фундаментальных исследованиях в области структурных превращений льда и способах управления его химико-физическими свойствами и, несмотря на сложности последних десятилетий, не утратили их до сих пор. В состав научной группы кроме сотрудников нашего предприятия вошли специалисты Института криосферы Земли Сибирского отделения АН РФ, кафедры химии и электрохимической энергетики Московского энергетического института (технического университета), Российского госуниверситета физической культуры (ГУФК) и др.1
Сразу оговоримся, что в данной работе нас интересовало не столько снижение коэффициента трения ц бегового конька по льду, сколько минимизация суммарной силы сопротивления скольжению ¥, пропорциональной произведению (|лх5), где - реальная площадь контакта лезвия конька и льда. Анализ динамики движения спортсмена показал, что оптимальной по этому показателю может быть модель «жесткого сухарика с тонким слоем масла», т. е. лед должен быть предельно твердым, препятствующим чрезмерному заглублению конька в лед, и иметь тонкий слой мягкого льда с высокими скользящими свойствами. Наличие скользящей пленки, с одной стороны, снижает фрикционное взаимодействие конька и льда, а с другой стороны - поддерживает необходимое сцепление лезвия со льдом, не позволяющее коньку срезаться, что особенно важно при прохождении виражей. Другим перспективным направлением оказалось изменение геометрии поверхностного слоя льда и повышение скольжения конька за счет снижения поверхности его контакта с этим слоем [1-2].
Методика получения жесткой подосновы - твердого льда, практически не содержащего механических примесей и максимально лишенного собственных дефектов кристаллической решетки (ионов гидрокси-
1 В работе также принимали участие Кузнецов Б.А., Мослаков В. и другие сотрудники ООО «ГП Холодильно-инженерный центр», Григорян С.С., Гуков Г.П. (Институт прикладной механики МГУ), Иванов А.А (Испытательная лаборатория «Экозонд»), Щербаков М.И. (фирма «Иртис»), Абрамова Е.В. («Технологический институт «ВЕМО»).
да, гидроксония и ориентационных дефектов Бьерру-ма), - была экспериментально апробирована при намораживании льда на беговых дорожках ККЦ в Крылатском и впоследствии защищена патентом РФ.
Была разработана и апробирована физическая модель формирования ледового массива и выработаны общие принципы удаления собственных и примесных ориентационных дефектов кристаллической решетки. На этом этапе ледовой службе ККЦ и научной группе «ГП Холодильно-инженерный центр» предстояло общие принципы структурирования ледового массива воплотить в технологию и осуществить ее силами всех инженерных служб ледового стадиона в Крылатском. В этом процессе в первоначальный план-график намораживания было внесено большое количество корректив и дополнительных технологических операций. Разность величин объемного расширения бетона, воды и льда и их плотностей, приводящая к образованию трещин и необходимости их «залечивания»; реальное ограничение во времени, не позволяющее вести процесс в условиях, близких к равновесным, и многое другое привели к тому, что действительная технологическая карта намораживания ледового массива существенно отличалась от предварительно намеченной [3-4] .
В результате ледовый массив имел свойства, максимально приближенные к свойствам монольда -был предельно прозрачен, не имел видимых газообразных включений и обладал существенно большей твердостью, чем лед, намороженный по финской технологии. Измерения твердости проводились динамическим методом без разрушения исследуемой поверхности, значительно более корректным для льда по сравнению со статическими методами, предусматривающими внедрение инденторов.
Высокая оптическая прозрачность чуть не была лишена права на существование, так как отчетливо были видны различные оттенки и «морозные узоры» от «дыхания» бетонной плиты, неминуемые в первый год ее эксплуатации и объективно ухудшающие телевизионную картинку. Однако нам удалось убедить руководство конькобежной федерации не жертвовать уникальным качеством полученного монолита в угоду эстетике телетрансляции, и результат не заставил себя ждать. Уже на юниорском Европейском первенстве в декабре 2004 г. в 133 забегах было установлено 99 личных рекордов (74%)! И это в самом начале сезона, когда спортсмены еще «под нагрузкой» и большая часть этих спортсменов - голландцы, воспитанные на признанном льду Херенвейна и постоянные гости Калгари и Солт-Лейк Сити.
Вторым направлением работы по созданию «скоростного льда» была разработка методик физического и химического воздействия на поверхностный слой льда. Такой поверхностный слой толщиной до 3 мм получают при кристаллизации слоя воды, наносимого на отфрезерованную поверхность чернового льда при прохождении заливочной машины. Известно, что при замораживании воды содержащиеся в
ней примеси кристаллизуются «в последнюю очередь» и вымораживаются в направлении границы раздела фаз, т.е. концентрируются на поверхности. Поэтому предварительная очистка воды для залива льда является необходимым условием, если мы хотим получить лед с прогнозируемыми параметрами скольжения, в том числе и для случаев, в которых для повышения скольжения микроколичества различных веществ дозируются уже в очищенную воду.
Станция водоподготовки производительностью 100 м3/час в ККЦ в Крылатском обеспечивает глубокую многоуровневую обработку воды и включает следующие основные стадии:
- очистка воды от механических примесей (фильтрование);
- осветление воды и удаление активного хлора (активированный уголь);
- умягчение воды (удаление солей жесткости на ионообменнике);
- обессоливание воды до 98-99% (обратный осмос);
- удаление растворенных газов за счет вакуумной и термической деаэрации;
- УФ-обеззараживание воды.
После очистки вода имела значение уд. электропроводности 5-7 мкСмсм-1, РН - до 7,8, содержание растворенного кислорода - до 1 мг/л.
Для заливки верхнего слоя льда использовалась вода, прошедшая как весь цикл очистки, так и «коктейли», составленные из воды, отобранной на различных этапах водоподготовки. Особое внимание уделялось удалению растворенных газов и предотвращению повторной аэрации (во время заливки), т.к. наличие пузырьков воздуха в толще льда существенно снижает как прочность, так и «предельный возраст» льда, в течение которого он сохраняет деформационную устойчивость. Основной компонент растворенных газов в воде - это кислород, поэтому кроме традиционных методов термической и вакуумной деаэрации воды были использованы методы катодной униполярной электрохимической обработки воды, а также введение в воду микроколичеств химических восстановителей.
Современное развитие науки и техники позволяет использовать методики прогнозирования отдельных свойств льда на молекулярно-кристаллическом уровне. Так, например, по результатам исследований ряда ученых незначительное внедрение примесей одних химических соединений приводит к упрочнению поверхности льда за счет образования Б-дефектов Бьеррума, а добавление других - к его размягчению вследствие развития дефектов кристаллической решетки Бьеррума Ь-типа [5].
Параметры скольжения поверхностного слоя льда определяются дефектностью его кристаллической решетки, которая в свою очередь связана с присутствием в деаэрированной воде ионных и молекулярных примесей. Эти примеси по-разному ведут себя при кристаллизации льда. Примеси замещения и междо-узельные примеси образуются соответственно при замещении молекулы воды инородной молекулой и при
внедрении инородной молекулы между узлами решетки оказывают наименьшее влияние на структуру льда. Примеси внедрения могут образовывать собственные структуры, жестко не связанные со структурой льда, и присутствовать в нем не только в кристаллической, но и жидкой фазе. Следует отметить, что физические методы сильного и слабого воздействия на воду, такие как магнитная обработка и ультразвуковая обработка, структуризация воды, градиентное термическое воздействие и ряд других, оказывают заметное влияние на структуру льда и требуют специальных дополнительных исследований.
Следует отметить, что, несмотря на более чем вековую историю фрикционного взаимодействия льда с твердыми телами, в настоящее время еще нет единой теории, способной дать полное описание механизма трения льда, а следовательно, и универсального метода повышения его скользящих свойств [6-10].
Нами проведено дозирование в микроконцентрациях ряда примесей, способных искусственно увеличивать количество носителей ориентационных дефектов кристаллической решетки и, соответственно, делать лед более мягким. В программу экспериментального исследования входило также определение оптимального диапазона концентраций искусственно вводимых примесей.
Эксперименты проводились с тремя группами присадок:
- композиты различных неорганических веществ;
- композиты различных органических веществ, в частности на основе ПАВ;
- водо-спиртовые растворы.
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) выбраны
для исследования в силу того, что согласно одной из современных теорий фрикционного взаимодействия, малое сопротивление трения льда объясняется наличием на его поверхности «квазижидкой» или «жидко-образной» пленки. Молекулы ПАВ вследствие их ди-фильности выталкиваются из объема воды на поверхность раздела фаз вода-воздух. В результате накопления на поверхности раствора молекул ПАВ, слабо взаимодействующих друг с другом, происходит снижение поверхностного натяжения и растекание молекул ПАВ по достаточно большой предоставленной им поверхности. Такая пленка при соответствующих концентрациях, находясь в конденсированном состоянии, с полным основанием может считаться двумерной и выполнять функцию псевдосмазки, уменьшающей трение конька в поверхностном слое. В описываемых экспериментах в основном использовались пленкообразующие амины, общая формула которых может быть записана в следующем виде:
СНз - №)„ - КН2.
В случае предельных заполнений поверхности воды молекулами ПАВ на основе аминов происходит ориентированная адсорбция молекул на поверхности раздела фаз водного раствора, причем гидратирую-щая аминная группа будет ориентироваться по на-
правлению к воде, а гидрофобная (углеводородный радикал) - к поверхности раздела фаз, образуя на ней пленку ПАВ [11].
Выбор веществ третьей группы - водо-спиртовых растворов - обусловлен более низкой температурой их замерзания по сравнению с водой. Логично было предположить, что при соответствующем подборе концентрации температура замерзания водо-спирто-вого раствора будет в пределах градуса ниже температуры замерзания основного монолита и на поверхности льда будет тонкая пленка «смазки», наличие которой, согласно другой гипотезе, значительно снижает сопротивление трения.
Для проведения экспериментальных исследований по определению влияния различного физико-химического воздействия на суммарную силу сопротивления движению нами совместно со службами ККЦ был разработан, а на заводе им. Хруничева изготовлен прибор - «скользиметр» (рис. 1).
4 / ■
3
на лед. Расстояние, пройденное «коньками» от полученного импульса (при прочих равных условиях), является показателем скользкости льда.
В результате двухлетней работы был разработан новый класс присадок «второго поколения», базирующихся на органических соединениях, введение которых в процессе кристаллизации водяной пленки создает модифицированный поверхностный слой, длина пробега прибора по которому до 50-70% превышает длину пробега по штатному обратноосмоти-ческому льду. Характерными особенностями кривых скольжения на новом классе присадок являются значительно более широкая и пологая зона максимума скользящих свойств и высокое стабильное значение «плато», которое и является рабочим временным интервалом для проведения соревнований.
Зависимости длины пробега скользиметра от времени после заливки льда (кривые скольжения), полученные на лучших к настоящему моменту составах, представлены на рис. 2. В качестве базовой кривой для сравнения приведена кривая пробегов скользиметра, полученная на штатной обратноосмо-тической воде (кривая 1). Кривая 2 скольжения построена для лучшего состава, полученного на базе неорганических соединений и использованного в феврале 2005 г. Кривая 3 - для наиболее эффективного композита «второго поколения» на базе органических веществ и нивелирующих добавок, разработанного к Олимпийскому сезону 2006 г. При этом введение органических присадок осуществляется в микроконцентрациях, не превышающих значений 0,5-1 ррт.
Рис. 1. Внешний вид и основные элементы «скользиметра» для определения параметров скользкости льда Fig. 1. General view and basic parts of a "skolzimeter" (glideness measuring instrument) for ice glideness parameters taking
Результаты и выводы, сделанные на основе экспериментов со «скользиметром», с достаточной сопоставимостью могут быть перенесены на движение реального конькобежца, так как удельная весовая нагрузка на лезвие бегового конька такого устройства идентична нагрузке, передаваемой на лед конькобежцем.
Прибор действует по принципу передачи импульса постоянной величины упругим элементом 1 (рис. 1) к подвижной основе «скользиметра» 2, состоящей из пары беговых коньков 3, установленных на раме 4 с набором грузов 5, имитирующих вес спортсмена, обеспечивая при этом постоянное удельное давление
г 54
^ 50 ш
¡46
¡42
га __ 138 I 34 л
1 30
22
■
3
Vi ■ ^v»
2
♦ \
1 ► • •
-Щ-♦
0:00
0:05
0:10 0:15 0:20
Время, час
0:25
0:30
Рис. 2. Кривая скольжения - зависимость длины пробега скользиметра от времени после заливки льда: 1 - обратно-осмотическая вода; 2 - вода с присадками на основе неорганических соединений; 3 - композиты на основе органических веществ и добавок, предотвращающие появление дефектов ледовой поверхности Fig. 2. Curve of gliding - dependence of track length of the skolzimeter of time after pouring the ice over: 1 - inversely osmotic water; 2 - water with additives on the basis of inorganic compounds; 3 - composites on the basis of organic matter and additives for appearance of defects of ice surface preventing
К сожалению, введение наиболее эффективных и «скоростных» добавок и присадок при определенных концентрациях сопровождается появлением микронеровностей - дефектов ледовой поверхности в виде
Ш
71
свернутых продольных «косичек» или регулярного разветвленного рельефа. Незначительная потеря привычной гладкости ледового покрытия объективно не ухудшает условия скольжения и реальные результаты спортсменов, однако вызывает у них психологическое неприятие, вибрацию лезвия конька и, соответственно, резонные претензии тренеров и организаторов соревнований. Изучение физической природы этого явления позволило найти так называемые вещества-«противоядия», параллельное введение которых нивелирует неровности поверхностного слоя, сохраняя при этом его высокие скоростные свойства.
Особую сложность при проведении экспериментальных работ в условиях активно функционирующего ледового центра представляло также создание условий сопоставимости экспериментальных данных, полученных в различные дни и на различных участках ледовых дорожек. При проведении соревнований на ледовой арене площадью 12000 квадратных метров фактор температуры и освещенности оказывает влияние на температуру льда и его скоростные качества.
Например, повышение температуры льда на 1,52° С по отношению к номинальному значению приводит к уменьшению пробега «скользиметра», как минимум, на 10-15%. В ходе работы было рассчитано и экспериментально установлено время стабилизации /ст скользящих свойств льда во всем допустимом диапазоне значений температур воды и толщины пленки, после наступления которого условия для всех спортсменов можно считать практически идентичными. На рис. 3 показано, что, например, повышение температуры заливаемой воды приводит к увеличению длины пробега «скользиметра», но при этом увеличивается время стабилизации кривых скольжения.
Температура воды ta" > fs Температура воды ^ Температура воды t/ < ^
Время
Рис. 3. Влияние температуры заливаемой воды на вид кривой скольжения: I - зона максимума скольжения; II - зона снижения скользкости; III - зона «плато» -стабильное скольжение Fig. 3. Influence of temperature of the poured water on the curve of gliding view: I - zone of maximum gliding; II - zone of gliding speed decrease; III - zone of "plateau" - stable gliding
Таким образом, к завершению сезона 2005-2006 гг. научной группой «ГП ХИЦ» и Техническими службами ККЦ «Крылатское»:
1. Была разработана и экспериментально апробирована «рецептура» и технология введения серии композитных присадок на основе экологически безо-
пасных органических соединений, приводящих к значительному, до 50-70%, увеличению длины пробега «скользиметра» по отношению к штатному льду, залитому обратноосмотической водой.
2. Экспериментальным путем обнаружен допустимый диапазон микроконцентраций вводимых ингредиентов, соответствующий максимуму скользящих свойств поверхности и не приводящий к нежелательному ухудшению качества поверхности.
3. Определен и апробирован состав дополнительной добавки, нивелирующей поверхностные аномалии на границе кристаллизации, не снижающей скоростных свойств льда.
Наша работа получила оценку спортсменов, тренеров и специалистов Международного Союза конькобежцев:
- Это лучший лед в Европе, и по абсолютным результатам каток ККЦ в Крылатском стоит на третьем месте в мире, уступая лишь высокогорным Солт-Лейк Сити и Калгари, где показываются более высокие результаты за счет снижения аэродинамического сопротивления.
В завершение приведем оценку чемпионов мира, данную льду Крылатского в интервью «СпортЭкс-прессу» американцами Чедом Хедриком и сменившим его на этом посту в Крылатском в 2005 г. Шей-ни Дэвисом.
Чед Хедрик: «Теперь о качестве льда. Он само совершенство, просто супер! Уверен, на равнине более быстрый лед сделать нельзя».
Шейни Дэвис: «Это самая восхитительная конькобежная арена в мире! Лед прекрасный! В пятницу он был еще лучше, чем в субботу и воскресенье, будь наоборот, я, уверен, установил бы мировой рекорд в многоборье».
И еще чуть-чуть о рекордах. На первых же стартах Европейских игр юниоров в 133 забегах было установлено 99 личных рекордов и 2 мировых юниорских. На чемпионате мира только среди женщин было установлено более 30% личных рекордов, в том числе и чемпионкой мира-2005 Анни Фризингер; 2 мировых рекорда на 3000 и 5000 м у юниоров. А ведь это мировая элита конькобежного спорта, которая многократно стартовала и на высокогорных катках. И все это, несомненно, говорит о том, что возможности современной науки в мире большого спорта не только до конца не исчерпаны, а наоборот, только начинают использоваться всерьез.
Список литературы
1. Гончарова Г.Ю., Нефедкин С.И. // Холодильная техника. 2006. №5. С. 6-10.
2. Гончарова Г.Ю., Нефедкин С.И. // Холодильная техника. 2006. №6. С. 10-13.
3. Гончарова Г.Ю., Шавлов А.В., Колутских Н., Писарев А. // Холодильный бизнес. 2004. №11. С. 4-8.
72
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 5 (73) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
i? M
4. Гончарова Г.Ю., Шавлов А.В., Колутских Н., Писарев А. // Холодильный бизнес. 2004. №12. С. 8-12.
5. Шавлов А.В. Лед при структурных превращениях. Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1996.
6. Bowden F.P., Tabor D. The Friction and lubrication of solids II, 1964.
7. Katutosi Tusima. A review on mechanisms of friction of ice, 1976.
8. Katutosi Tusima. Challange to skating rink by an ice-stalagmite, 1999.
9. Katutosi Tusima and Toshihiro Kiuchi. Development of high-speed ice-skating rink, 1998.
10. Henk Gemser, Jos de Koning, Gerrit Jan van Ingen Schenau. Handbook of competitive speed skating, 1999.
11. Нефедкин С.И. Научно-практические основы и разработка электрохимических методов и устройств для очистки и мониторинга водных технологических сред, содержащих органические вещества // Вестник МЭИ. 2002. № 2. С. 29-38.
игВЕШТАМ 2009 -4-Я МЕЖДУНАРОДНАЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ВЫСТАВКА "ЭНЕРГЕТИКА, ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ, ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ, ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА, КАБЕЛИ, СВЕТОТЕХНИКА, НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ"
Время проведения: 23.09.2009 - 25.09.2009 Место проведения: Узбекистан, Ташкент Темы: Энергетика, Электроника и электроэнергетика, Метизная, проволочно-канатная, кабельная
Power Uzbekistan - это
• Более 70 компаний-участников; • Посетители-специалисты отрасли из Узбекистана, стран СНГ и дальнего зарубежья; • Технические семинары по энергетике и энергосбережению и презентации; • Целевая рекламная кампания по привлечению посетителей; • Лучшая выставочная площадка Узбекистана.
Тематика данной выставки позволяет показать развитие и потенциал в таких важнейших областях промышленности, как электроэнергетика, электротехника, строительство, связь, угольная промышленность, нефтегазовый комплекс,
ЖКХ, которые формируют экономику Узбекистана.
Официальная поддержка выставки
ГАК «Узбекэнерго»СО
«Узсувэнерго» при Министерстве сельского и водного хозяйства Республики Узбекистан Основные тематические разделы
- Электрические машины и комплектующие
- Низковольтная аппаратура
- Высоковольтное оборудование
- Оборудование и технологии для угольной промышленности
- Кабели, провода, аксессуары
- Электроизоляционные материалы и изоляторы
- Преобразовательная техника
- Электроника и электронные компоненты
- Контрольно-измерительные приборы и автоматика
- Электромонтажное оборудование и электроинструменты
- Энергосберегающие технологии и оборудование
- Альтернативные источники энергии - Светотехника
,¿AiLSLS
73
