CC BY
149
УДК 531.3
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ АНТИОБЛЕДЕНЕНИЯ
В. В. Смогунов, Д. В. Кочетков, В. А. Шорин
SYSTEM ANALYSIS OF DEICING METHODS AND MEANS V. V. Smogunov, D. VKochetkov, V. A. Shorin
Аннотация. Актуальность и цели. Агрессивное действие льда на техногенных и природных объектах является серьезной проблемой во всем мире. Задачи борьбы с обледенением приборов и устройств актуальны для многих отраслей промышленности. Лед в силу своих физических особенностей способствует разрушению оборудования и строительных конструкций, ухудшению их характеристик и качества и в конечном счете влияет на их долговечность и безопасность. Цель работы - проанализировать современные методы защиты от наледи и антиобледенительные средства, а также предложить новый эффективный метод с использованием пластичных смазок, содержащих ПАВ, для предотвращения образования сосулек и наледи на крышах домов. Материалы и методы. Реализация исследовательских задач была достигнута на основе анализа современных методов защиты от наледи и антиобледенительных средств. Кроме того, представлены результаты экспериментальных исследований нового эффективного метода для предотвращения образования сосулек и наледи на крышах домов с использованием пластичных смазок, содержащих ПАВ. Результаты. По результатам экспериментальных исследований установлены наиболее эффективные антиобледенители, в качестве которых авторами предложено использовать пластичные смазки, содержащие наноактивированные вещества. Молекулы смазки вследствие их дифильности выталкиваются на поверхность раздела фаз вода-воздух. В результате накопления на поверхности раствора молекул, слабо взаимодействующих между собой, происходит снижение поверхностного натяжения и растекание покрытия по достаточно большой предоставленной им поверхности, что способствует более быстрому сходу наледи. Выводы. Предложен новый эффективный метод для предотвращения образования сосулек и наледи на крышах домов с использованием пластичных смазок, содержащих ПАВ. Данный метод подтвержден экспериментами и экономически целесообразен. Затраты связаны лишь со стоимостью пластичных смазок и проведением работ по их нанесению перед зимним сезоном, что существенно ниже стоимости других методов и средств.
Ключевые слова: системный анализ, антиобледенение.
Abstract. Background. Aggressive action of ice on the man-made and natural objects is a serious problem worldwide. Tasks deicing equipment and devices are relevant to many industries. Ice, by virtue of their physical characteristics, contributes to the destruction of equipment and construction, deterioration of their performance and the quality and ultimately affect their durability and safety. Purpose - to analyze the modern methods of protection against icing and anti-icing agents; propose a new effective method for preventing the formation of icicles and ice dams on roofs with greases containing surfactants. Materials and methods. Implementation of the research tasks was achieved by analyzing the modern methods of protection against ice and de-icing equipment. In addition, the results of experimental studies of a new effective method for preventing the formation of icicles and ice dams on roofs with greases containing surfactants. Results. According to the results of experimental studies established the most effective de-icers, as which the authors proposed
to use greases containing nanoaktivirovannye substance. Molecules due to their am-phiphilic lubricant is pushed against the surface of the interface water-air. As a result of the accumulation of molecules on the surface of the solution, weakly interacting with each other, there is a reduction of surface tension and spreading to cover a sufficiently large surface provided by them, which contributes to a more rapid descent ice. Conclusions. A new effective method for preventing the formation of icicles and ice dams on roofs with greases containing surfactants. This method is confirmed by experiments and economically feasible. Costs related only to the cost of greases and work on their application before the winter season. Cost significantly lower than other methods and means.
Key words: system analysis, deicing.
Введение
Проблема обледенения касается многих объектов: крыш домов, дорог, оборудования, транспорта.
Агрессивное действие льда на техногенных и природных объектах является серьезной проблемой во всем мире. Задачи борьбы с обледенением приборов и устройств актуальны для многих отраслей промышленности.
Лед в силу своих физических особенностей способствует разрушению оборудования и строительных конструкций, ухудшению их характеристик и качества и в конечном счете влияет на их долговечность и безопасность. Обмерзание ведет к катастрофам в авиации, ломает линии электропередач, препятствует работе газоперекачивающих станций и гидротехнических затворов. Падение с крыш зданий льда создает угрозу жизни горожан. Статистика свидетельствует, что каждую зиму только в Москве от сорвавшихся с крыш сосулек и кусков льда страдает около 50 человек и до 300 автомобилей, что приводит к выплатам компенсаций пострадавшим, а также к административной и уголовной ответственности.
Скопление льда на крышах домов повышает механическую нагрузку на элементы кровельных конструкций; задержка талой воды вследствие забитых льдом водостоков приводит к повреждению верхних жилых этажей и элементов фасада.
1. Методы защиты от наледи
В настоящее время известно несколько методов защиты от наледи.
Механический метод состоит в удалении льда с помощью лома или скребков, которые повреждают кровлю, асфальт, оборудование.
Удаление наледи можно производить с помощью электрического обогрева - нагревательного кабеля; так растапливается выпавший снег, лед.
Электроимпульсный метод не препятствует образованию наледи, а удаляет уже образовавшийся лед за счет формирования электрического импульса, который за 1-2 секунды уничтожает все ледяные отложения. Принцип действия прибора состоит в том, что под поверхностью, с которой необходимо удалить наледь, устанавливают индукционные катушки. При подаче электрического импульса нарастающая величина тока вызывает образование магнитного поля, притягивающего (отталкивающего) в пределах упругой деформации очищаемую поверхность в зоне установки индукционного датчика. Величину тока подбирают из условия разрушения наледи в пределах упругой деформации и микровибрации обрабатываемой поверхности. Метод приме-
ним на любых материалах. Система срабатывает при появлении обледенения, разбивая его. Мелкие осколки вместе со снегом скатываются вниз, не причиняя вреда прохожим. Напряжение питания при этом 220 В, потребляемая мощность 20 Вт (импульс 2-4 раза в сутки).
Существует еще индукционный метод борьбы с обледенением (на примере обогрева защитных решеток на водозаборе, устанавливаемых для защиты от попадания в него плавающих в воде предметов). В основу расчета электрообогрева решеток водозаборных сооружений положено условие поддержания температуры их поверхности выше температуры таяния льда. При обычном способе подогрева - путем пропускания тока через их токонесущие части - для обеспечения безопасности требуется подведение тока низкого напряжения, для чего необходима установка трансформаторов, повышающих стоимость устройства электрообогрева. В связи с этим в настоящее время применяется индукционный метод обогрева, имеющий более высокие экономические показатели и позволяющий отказаться от специальных понижающих трансформаторов и токонесущих частей решетки. В основе физического принципа индукционного обогрева лежит возникновение вихревых токов и потерь на гистерезис в металле решетки при пересечении его переменным электромагнитным полем. Наличие этих токов и вызывает нагрев металла. Для этого в полых прутьях решетки пропускается определенное число витков провода, по которому течет переменный ток промышленной частоты.
Можно бороться с обледенением с помощью ультразвука: специальное устройство формирует мощный ультразвуковой импульс, приводящий к разрушению наледи. Преимущество метода - малая потребляемая мощность, затрачиваемая на удаление льда. Недостатков значительно больше: высокая стоимость системы, затраты на обслуживание, отрицательное волновое воздействие на человека и отсутствие защиты водостоков от образования льда. Почти весь набор недостатков ультразвукового удаления льда имеет компактный щелевой СО2-лазер мощностью около 250 Вт в пучке. Широкое внедрение таких установок в практику требует еще более значительных материальных вложений.
Заслуживает внимания химический метод борьбы с обледенением, используемый на Саяно-Шушенском гидроузле для ограждающих водобойный колодец решеток. Здесь используется природная соль - бишофит (МвС12бН20), которая в меньшей степени, чем хлорид кальция и хлорид натрия, подвергает металл коррозии. Бишофит предотвращает образование льда при более низкой температуре, чем остальные антиобледенители (до -35 оС), и действует быстро - за 15 минут он растапливает вдвое больше льда, чем хлорид натрия. Но главное в том, что бишофит, по данным НИИ гидротехники и мелиорации им. А. Н. Костякова, экологичен и безопасен для окружающей среды. Ни один из современных антиобледенителей не имеет таких характеристик.
Во всех рассмотренных случаях требуется дополнительный контролирующий персонал по наблюдению за работой технических средств и их сохранностью. По этой причине предпочтение получают системы профилактики формирования наледей - противообледенительные покрытия. Создается промежуточный слой специального вещества между льдом и защищаемой поверхностью. При этом вещество должно либо уменьшать адгезию льда
(максимально снизить силу сцепления льда с поверхностью и сохранить эту способность в течение длительного срока эксплуатации), либо понижать температуру замерзания воды на защищаемой поверхности.
По данным Международной Академии Холода (МАХ), сила сцепления водного льда с материалами, например кровли зданий, весьма велика. Для стали Ст3 она составляет более 0,16 МПа, бетона - более 0,22 МПа. При испытаниях на отрыв разрушалась внутренняя структура льда, а его остатки прочно сохранялись на поверхности намораживания материалов. В то же время адгезионная прочность льда с покрытием из композиции антиобледенения практически полностью отсутствует и составляет менее 0,20 МПа.
Итак, проанализировав современные методы борьбы с обледенением, можно сделать вывод о том, что в зависимости от места применения основные способы подразделяют на:
- традиционные методы для борьбы с обледенением с помощью специальных химикатов;
- подвод электроэнергии и преобразование ее в различные виды (нагревательные кабели, электроимпульсный метод, индукционный метод обогрева; борьба с обледенением с помощью ультразвука, лазера, и т.д.);
- применение антиадгезионных, гидрофобных, антиобледенительных покрытий.
В случае применения электроэнергии кроме затрат на нее требуется дополнительный контролирующий персонал по наблюдению за работой технических средств и их сохранностью. По этой причине предпочтение получают системы профилактики формирования наледей - противообледенитель-ные покрытия.
2. Антиобледенительные средства
Рассмотрим три группы веществ, наиболее подходящих по своим свойствам для борьбы с обледенением: парафины, фторуглероды, полиорганоси-лаксаны. Низкая механическая прочность парафинов не позволяет использовать их в качестве самостоятельного антиобледенительного покрытия. Фтор-углероды из-за низкого значения поверхностной энергии имеют низкую адгезионную прочность не только ко льду, но и к покрываемой поверхности. Сложные технологии покрытий на их основе ограничивают использование фторопластов для этих целей.
Наилучший антиобледенительный эффект достигается при использовании органосилаксанов и изготовленных на их основе органосиликатных композиций (ОСК), которые могут выступать в роли не только общеизвестных лакокрасочных материалов, но и материалов совершенно иного, уникального рода.
Адгезионная прочность льда к покрытию определяется химической природой пленкообразователя и, согласно термодинамической концепции адгезии, является функцией его поверхностной энергии или поверхностного натяжения. Величина поверхностного натяжения жидкостей (^ж) - их индивидуальное свойство - определяется экспериментально. Для характеристики поверхностного натяжения полимерных поверхностей используется понятие критического поверхностного натяжения (^кр). При возрастании разности
между этими значениями растекаемость воды по поверхностному слою покрытия уменьшается. Снижение смачивания поверхности приводит к сокращению площади контакта между замерзшей водой и покрытием и, как следствие этого, к уменьшению адгезии льда к покрытию. Образование льда происходит и на поверхности антиобледенительного покрытия, однако использование специальных покрытий с низкой поверхностной энергией позволяет существенным образом снизить затраты на механическое удаление льда с поверхности различных сооружений и конструкций. У большинства полимерных материалов адгезия со льдом составляет более 0,10 МПа. Практика показывает, что для борьбы с обледенением следует использовать полимеры, термодинамические характеристики которых отвечают следующим требованиям: ^кр < 25 мДж/м2, контактный угол смачивания водой более 90°. В этом случае адгезионная прочность льда к поверхности не будет превышать 0,03 МПа. Лучше всего таким требованиям отвечают полиорганосилаксаны.
Полиорганосилаксаны - это один из видов кремнийорганических полимеров, обладающий высокой энергией связи элементов главной цепи - кремния и кислорода; кремний в полимерной цепи свободными валентностями связан с органическими остатками. В зависимости от молекулярной массы кремнийорга-нические полимеры - вязкие бесцветные жидкости (кремнийорганические жидкости), твердые эластичные вещества (кремнийорганические каучуки) или хрупкие продукты (кремнийорганические пластики). В промышленности наибольшее значение имеют полиорганосилаксаны (полисилоксаны), основная молекулярная цепь которых построена из чередующихся атомов кремния и кислорода, а атомы углерода входят в состав боковых (обрамляющих) групп, связанных с атомом кремния:
НО[ - 81(Я,Я') - О - 81(Я, Я') - О - ] пН ,
где Я, Я' - органические радикалы, например СН3- [1].
Связь кремний-кислород представляет собой весьма слабый диполь 812+-О2- , но высокая прочность связи -81-О- делает ее устойчивой к воздействию теплоты и окислителей. Большая разница в электроотрицательности кремния и углерода придает подвижность органическим радикалам и определяет повышенную гибкость полисилоксановых цепей. Исключительно гибкая силоксановая цепь реагирует на дипольный момент и располагает силоксано-вые звенья таким образом, чтобы положительно заряженный кремний одного звена располагался напротив отрицательно заряженного атома кислорода другого звена. В результате возникает своеобразная спиральная конструкция [2], при которой компенсируется полярность связи -81-О, а сами цепи оказываются окруженными нейтральными углеводородными радикалами (органическими группами). Такая конфигурационная информация - влияние химической структуры соединения на его физические свойства [3] - обусловливает гид-рофобность и слабое межмолекулярное взаимодействие, которое вместе с почти свободным вращением вокруг связи 81-О приводит к низкой плотности энергии когезии.
Подобное строение полисилоксановых полимеров объясняет их специфические свойства: хорошие диэлектрические характеристики, высокую термостойкость и термостабильность, гидрофобность, незначительные силы межмолекулярного сцепления, резко отличающие их от углеродных полимеров.
Кремнийорганические соединения получили разнообразное техническое применение. Такие как диметилдихлорсилан, адсорбированный на поверхности керамического материала, при гидролизе водой образуют пленку толщиной 1,9-10-5 см, состоящую примерно из 300 молекул. Причина гидро-фобности заключается в ориентации молекул кремнийорганического полимера: углеводородные радикалы направлены наружу, а кислород - в сторону гидрофильной поверхности.
Уменьшает обледенение стекол самолетов и автомашин гидрофобиза-ция стекла метилхлорсиланами. Гидрофобизация строительных материалов -бетона, известняка, кирпича - предохраняет их от преждевременного разрушения под влиянием атмосферных условий.
Хороший антиобледенительный эффект достигается при использовании изготовленных на основе органосилаксанов органосиликатных композиций, которые представляют собой суспензии мелкодисперсных слоистых силикатов, оксидов металлов и пигментов в толуольных растворах полиоргано-силоксанов.
В ряде случаев в их состав вводятся органические полимеры и специальные добавки. В органосиликатных покрытиях полимеры кремнийоргани-ческих лаков выступают в роли пленкообразователей [4].
Антиобледенительные покрытия должны сочетать в себе достаточную адгезию к защищаемой поверхности и минимальную адгезию ко льду. Это достигается при использовании сложных многослойных лакокрасочных гете-роструктур, нижний и верхний слой которых отличается по составу с изменяющимися по толщине составом и свойствами. Известны гетероструктуры -покрытия, сформированные на основе органосиликатных композиций типа ОС-56. Полимерной основой этих гетероструктур является смесь из термодинамически несовместимых полиорганосилоксанов разного строения. Покрытие объединяет два различающихся по функциональному назначению слоя. Противокоррозионные и адгезионные свойства обеспечивает нижний слой покрытия; верхний слой, обладающий гидрофобностью, обусловливает анти-обледенительные свойства покрытия. Контактные углы смачивания водой лежат в интервале 105...1100, угол скатывания капли воды — не более 30°; сила сцепления льда с этим покрытием в 1,5-2 раза ниже, чем в случае применения О-56, и в 2-5 раз ниже, чем при использовании широко распространенных органических эмалей групп ПФ, ХВ или ХС, в 7-10 раз меньше по сравнению с незащищенной поверхностью стали, до 9 раз — с оцинкованными поверхностями [4, 5].
Также в качестве антиобледенителя авторами предложено использование пластичных смазок.
3. Результаты экспериментов
Авторами статьи проведены исследования механики фрикционного взаимодействия льда на макетах металлических, шиферных крыш [б]. В период с ноября по апрель 2011-2013 гг. в условиях открытого воздуха на крыше домов старого фонда наблюдались естественные процессы образования наледи и сосулек с разными антиобледенителями и без них. Во время эксперимента покрывали края крыши шириной 20 см и желоб для стока воды пластичными смазками. Наилучшим антиобледенителем оказалась пластичная смазка, которая в своем составе содержит поверхностно-активные вещества (ПАВ).
В дневное время во время таяния снега образовавшиеся капли воды ускоренно стекали с крыши и не образовывали сосулек и наледи, так как адгезия и смачиваемость талой воды с антиобледенителями по сравнению с железом и шифером на порядок меньше.
С понижением температуры в ночное время таяние прекращалось. С переходом температуры с «+» на «-» на участках крыш, обработанных антиобледенителями, образование сосулек и наледи практически не наблюдалось (рис. 1, 2). Образовавшиеся незначительные сосульки срывались с крыши вместе с талой водой на следующий день.
а) б)
Рис. 1. Необработанный край крыши (а); обработанный край крыши (б)
а) б)
Рис. 2. Необработанный желоб водостока (а); обработанный желоб водостока пластичной смазкой (вид сверху) (б)
По всей видимости, в месте контакта льда с крышей, обработанной пластичной смазкой, которая в своем составе имеет ПАВ, происходит размягчение льда вследствие развития дефектов решетки и образования нано-слоя квазижидкости.
Молекулы ПАВ вследствие их дифильности выталкиваются на поверхность раздела фаз вода-воздух. В результате накопления на поверхности раствора молекул ПАВ, слабо взаимодействующих между собой, 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, что способствует более быстрому сходу наледи.
Вывод
Предложен новый эффективный метод для предотвращения образования сосулек и наледи на крышах домов с использованием пластичных смазок, содержащих ПАВ. Данный метод подтвержден экспериментами и экономически целесообразен. Затраты связаны лишь со стоимостью пластичных смазок и проведением работ по их нанесению перед зимним сезоном. Стоимость данного метода существенно ниже других методов и средств.
Список литературы
1. Южелевский, Ю. А. Кремниеорганические полимеры / Ю. А. Южелевский, В. П. Милешкевич // Журнал Всесоюзного химического общества им. Д. И. Менделеева. - 1981. - Т. 26, № 3. - С. 297-302.
2. Левицкий, М. М. Многоликие силоксаны / М. М. Левицкий // Холодильная техника. - 2009. - № 9.
3. Бартенев, Г. М. Физика полимеров / Г. М. Бартенев, С. Я. Френкель. - Л. : Химия, 1990.
4. Чуппина, С. В. Особенности применения органосиликатных антиобледенитель-ных противокоррозионных покрытий / С. В. Чуппина // Петербургский строительный рынок. - 200б. - № 10.
5. Чуппина, С. В. Современное состояние материаловедения органосиликатных композиций (ОСК): покрытий, клеев, герметиков / С. В. Чуппина // Актуальные вопросы применения органосиликатных и кремнийорганических покрытий, клеев, герметиков : материалы науч.-практ. семинара. - СПб. : Институт химии силикатов им. И. В. Гребенщикова РАН, 2006. - С. 17-26.
6. Смогунов, В. В. Механика фрикционного взаимодействия «лед - вода - твердое тело / В. В. Смогунов, В. А. Шорин, А. Ю. Ардеев // Молодежь и наука: Модернизация и инновационное развитие страны : сб. материалов Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза, 2013. - С. 116-118.
Смогунов Владимир Васильевич доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической и прикладной механики и графики, Пензенский государственный университет E-mail: penzgu.tmt@inbox.ru
Кочетков Денис Викторович
кандидат технических наук, доцент, кафедра теоретической и прикладной механики и графики, Пензенский государственный университет E-mail: denis.kochetkov80@yandex.ru
Smogunov Vladimir Vasiljevich doctor of technical sciences, professor, head of the department of theoretical and applied mechanics and graphics, Penza State University
Kochetkov Denis Viktorovich candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of theoretical and applied mechanics and graphics, Penza State University
Шорин Владимир Алексеевич кандидат технических наук, доцент, кафедра теоретической и прикладной механики и графики, Пензенский государственный университет E-mail: v.a.shorin@mail.ru
Shorin Vladimir Alexejevich candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of theoretical and applied mechanics and graphics, Penza State University
УДК 531.3 Смогунов, В. В.
Системный анализ методов и средств антиобледенения / В. В. Смогунов, Д. В. Кочетков, В. А. Шорин // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2014. - № 4 (12). - С. 146-154.
