Автореферат (Повышение энергоэффективности системы ледовое покрытие – холодильная установка путём поддержания заданных свойств модифицированного льда), страница 3

Распределение температур на поверхности приохлаждении образцов демонстрирует идентичность значений теплопроводностичистого и модифицированного льда.Глава 4 посвящена исследованию макроструктуры формируемого льда ипервоначального распределения в нём внесённых модифицирующихсоединений.В 4.1 приведено описание мобильной экспериментальной установки,созданной для воспроизведения условий одномерного отвода тепла инамораживания льда на реальном спортивном объекте. Установка включаетстандартный компрессорно-конденсаторный агрегат и оригинальныйиспаритель, представляющий собой алюминиевую плиту, охлаждаемуюприпаянным снизу медным змеевиком (Рисунок 3). Свободный объем междуповерхностью змеевика и плитой заполнен алюминиевыми прутками итеплопроводящей пастой. Температура кипения хладагента изменялась вдиапазоне от минус 5 до минус 20 ºС.

Намораживание образцов производилосьв формах с прозрачными стенками и металлическим основанием.а)б)в)Рисунок 3. Экспериментальная установка: общий вид (а), распределениетемпературы по поверхности испарителя (б), формы для намораживания (в)8Проведённые на установке эксперименты показали, что при всех режимахработы холодильной машины ледовой арены кристаллизация жидкостнойплёнки идёт с образованием плоского фронта. Получены изображения какгоризонтального (Рисунок 4, а), так, впервые, и вертикального срезамодифицированногольда(Рисунок4, б).Развитиекристалловпреимущественно происходит по направлению главной оптической оси,направленной перпендикулярно плоскости замерзания с локальнымпроявлением эпитаксии, т.е.

сохранением направления главной оптическойоси кристаллов нижней зоны массива. При движении фронта кристаллизациисначала вымораживается вода, а внесённые модификаторы дислоцируются вмежкристаллическом пространстве, которое впоследствии выполняетфункциютранспортныхпутейвпроцессеихпоследующегоперераспределения.Предложен метод визуализации межкристаллического пространства спомощью декорирования красителями. Органический краситель разливается наповерхности исследуемого образца, при замерзании геометрия кристалловсохраняется, а межкристаллическое пространство выделяется цветом(Рисунок 4, в).

Это доступный и точный метод оценки характерного размеракристаллов с помощью любого графического редактора в образцах льда, взятыхна реальных ледовых объектах. В работе сформулированы основные критерииотбора соединений для декорирования ледовых структур. Отобранныекрасители (Coomassie Brilliant Blue и Эритрозин) позволили визуализироватьпространственнуюконфигурациюмежкристаллическогопространстванамороженного с ними слоя льда за счёт распределения по всей его толщине.а)б)в)Рисунок 4. Макроструктура модифицированного льда: горизонтальный ивертикальный срезы (а, б); декорирование поверхности красителем (в)В 4.2 описана оригинальная методика и представлены результатыисследования первоначального распределения органических модификаторов всформированном массиве льда.

Массив льда намораживался на лабораторномстенде с автономной системой хладоснабжения и бетонной технологическойплитой, идентичной конструкции ледовых полей на спортивных аренах. Послезавершения намораживания полученный массив с помощью прецизионногорежущего инструмента с горизонтальными направляющими механическиразделялся на слои толщиной порядка 1 мм. Далее проводились комплексныехимические анализы, и определялась концентрация модификаторов в расплавахльда по показателю перманганатной окисляемости, характеризующему общее9Перманганатная окисляемость, мг/лсодержание органической фазы в расплаве. Для увеличения достоверностиполученных данных дополнительно применялись кондуктометрический испектроскопический методы элементного анализа расплавов льда. Это былонеобходимо, так как идентификация искомых соединений в концентрацияхот 1 до 100 мг/л представляет собой отдельную сложную задачу.

Во всехэкспериментах воспроизводилась реальная технология формированиямодифицированного льда. Намораживался нижний слой льда без добавок, далеепослойно формировалась верхняя зона по схеме чередующихся слоёв: «чистыйслой» – «слой с модификаторами».

Температура заливаемой воды составлялаот плюс 55 до плюс 65 ○С.Экспериментально определено, что первоначальное распределениемодификаторов по толщине массива зависит от следующих основныхфакторов: температуры подаваемого в ледовое поле хладоносителя tхн,температуры разливаемой воды tв, физической природы и свойств каждого изкомпонентов смеси (строения макромолекул, молекулярной массы,поверхностной активности), последовательности нанесения слоёв чистой водыи слоёв с полимерными добавками. На Рисунке 5, а приведены кривыепервоначального распределения для массивов льда, намороженных при разныхтемпературах хладоносителя и идентичной концентрации вносимыхмодификаторов 7 ppm.

При схеме чередующихся слоёв в пересчёте напоказатель перманганатной окисляемости это значение соответствует 0,8 мг/л.б)1a)23Расстояние от поверхности, ммРисунок 5. Первоначальное распределение модификаторов:ζ = idem, tхн =var (a),ζ=var, tхн= idem (б)10Как можно видеть из Рисунка 5, а концентрация модификаторов вовнутренних слоях массива практически постоянна для всех кривых, а кповерхности льда наблюдается резкое увеличение, существенно превышающееуровень вносимых концентраций. При этом, с понижением температурыподаваемого хладоносителя (увеличением скорости кристаллизации каждогоединичного слоя), большая часть внесённых соединений захватываетсяфронтом кристаллизации и не успевает подняться к поверхности, что приводитк более равномерному распределению их внутри создаваемого массива льда –кривая 1 (голубая линия).

Такой характер распределения в наибольшей степениподходит для технических видов спорта (хоккей, фигурное катание). Вскоростных видах спорта высокая концентрация модификаторов необходиматолько в поверхностном слое льда и более рациональна кривая 3 (краснаялиния), поэтому отношение концентраций внутри и на поверхности массива(ζпов/ζглуб) является важной характеристикой модифицированного массива льда.Обработка экспериментальных данных позволила предложить расчётнуюзависимость отношения (ζпов/ζглуб) от средней скорости кристаллизации(v, мм/ч):ζпов/ζглуб = 16,8∙e -1,3υ(2)Максимальная прочность модифицированного льда для технических видовспорта обеспечивается при наиболее равномерном распределении введённыхмодификаторов по глубине порядка 20 мм, что соответствует значению ζпов/ζглубв диапазоне от 3 до 5, поэтому необходимо было установить интервалскоростей кристаллизации, при которых достигаются требуемые соотношенияконцентраций.

В результате проведённых исследований установлено, чтотребуемое соотношение достигается при средних скоростях намораживания винтервале от 0,7 до 1,0 мм/ч. Экспериментально также установлено, что болееравномерному распределению по глубине массива способствует внесениемелкодисперсных фторсодержащих суспензий фторопласта (ПТФЭ): в составевносимых смесей они являются наиболее крупными структурнымисоединениями, с молекулярной массой до 107 а.е.м. и наиболее прочнозахватываются фронтом кристаллизации при его движении (Рисунок 5, б).В главе 5 на основе исследований процесса переноса модификаторов приэксплуатации ледового массива разработана технологии поддержания егоскоростных и прочностных свойств.В 5.1 описаны эксперименты по визуализации переноса модификаторов напримере миграции красителя Coomassie Brilliant Blue в образцемодифицированного льда.

Рассматриваемое и натурное явление однойфизической природы, а краситель и один из компонентов модифицирующейсмеси близки по структуре и молекулярной массе (порядка 1000 а.е.м).Замороженная капля красителя вносилась между двумя образцамимодифицированного льда, а затем имитировались заливки горячей водой смеханической подрезкой. Постепенно происходило размывание капли.Краситель мигрировал по сети межкристаллического пространства по11нескольким взаимосвязанным путям, преимущественно в направлении действияградиента температуры (Рисунок 6).а)б)в)Рисунок 6.

Распределение красителя в модифицированном льду: послевмораживания (а), после периодических заливок горячей водой (б, в)Расстояние δ, ммВторым инструментом воздействия на интенсивность миграциимодификаторов является температура воды tв при обновлении поверхностильда. Эксперименты показали, что при увеличении температуры водыкраситель с определенной глубины до поверхности (расстояние δ) поднимаетсяза меньшее количество обновлений N вследствие увеличения градиентатемпературы и глубины подплавляемого слоя (Рисунок 7).tв = 90 °Сtв = 20 °Сtв = 60 °СКоличество обновлений, NРисунок 7. Подъём красителя при обновлении поверхности: tв = var, tхн = idemЗаливки проводились при постоянной температуре хладоносителя и счастотой 1 раз/час.

Таким образом, экспериментально подтвержденавозможность воздействия на интенсивность подъема модификаторов кповерхности, что имеет большое практическое значение для определениявремени сохранения ледовым покрытием своих свойств без дополнительновнесения модификаторов. Термическая составляющая всегда направлена всторону поверхности льда, заливаемого горячей водой, а концентрационнаяможет иметь и обратное направление – к глубинным слоям (например, придополнительном внесении модификаторов при заливке льда). Представленныеэксперименты подтвердили предложенную физическую модель, согласнокотороймежкристаллическоепространствовыполняетфункцию«транспортных путей» при перераспределении внесённых модификаторов.12В работе также экспериментально подтверждена возможностьпроникновения модификаторов с поверхности льда вглубь массива.