ЛЁДОВАРЕНИЕ. ФИЗИКА И ПРАКТИКА

« Назад

01.08.2013 22:18

Серьёзного обобщения теории и опыта наморозки качественного ледового покрытия на спортивных сооружениях в России, к сожалению, не проводилось. Технология "ледоварения" хранится в строгом секрете службами эксплуатации спортивных сооружений.

Справка. Человеко-день опытного "ледовара", приглашаемого из скандинавских стран некоторыми российскими клубами, обходится последним  от 1000 до 5000 долл. США. Процесс наморозки льда выполняется в срок от трех дней до двух недель в зависимости от применяемой технологии.

Настоящей публикацией мы открываем цикл статей "В помощь практику", в котором постараемся обобщить накопленный нами опыт проектирования и эксплуатации инженерных и технологических систем спортивных ледовых объектов.

Б. Кузнецов. 

ht11-03_01 ht11-03_02

1. ФИЗИКА

За последние несколько лет заметно вырос интерес к строительству разнообразных ледовых полей: Дворцов спорта, хоккейных площадок, катков тренировочных, демонстрационных, вплоть до развлекательных в торговых центрах и крупных магазинах. Но, к сожалению, ключевым в этом словосочетании оказалось слово строительство, и именно этому, как правило, и уделяется наибольшее внимание. Однако, сам по себе КАТОК или ЛЕДОВОЕ ПОЛЕ - это, прежде всего, - огромный теплообменник, предназначенный для работы в принципиально различных условиях и режимах. Первый период - это первоначальный отвод теплоты от «технологического пирога» ледового поля и последующее его промораживание. Второй и наиболее напряжённый период - это интенсивный отвод тепла от последовательно набрызгиваемых слоев воды в процессе их постепенного замораживание. При этом плотность теплового потока должна как обеспечивать охлаждение воды и фазовый переход «вода-лёд», так и компенсировать неизбежные теплопритоки из окружающего воздуха к поверхности воды. В этом случае наличие функционально необходимого «технологического пирога» является с точки зрения организации процесса теплообмена дополнительным термическим сопротивлением. После завершения процесса намораживания льда требуемой толщины и проведения стадии доводки его 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.

В результате теплотехнический расчёт ледового поля как теплообменного аппарата сводится к следующим основным моментам:

  1. На основе энергетического баланса с учётом времени, установленного на процесс намораживания льда, определяется суммарная величина отводимого теплового потока, или же - суммарная холодопроизводительность машин.
  2. Разрабатывается конструкция трубной системы ледового поля, собственно и образующаяся внутреннюю поверхностью данного «теплообменника».
  3. Определяются в первом приближении режимные характеристики течения хладоносителя в трубах: расходы, скорости, распределение хладоносителя по различным участкам трубной системы с учётом гидравлического сопротивления отдельных контуров и коллекторов.
  4. Затем на основе критериальных уравнений рассчитывается среднее значение коэффициента теплоотдачи от внутренней поверхности труб к хладоносителю. Учитывая, что для закрытых катков условия теплоотдачи со стороны наружного воздуха, как правило, заданы, а перечень строительных материалов технологической плиты достаточно ограничен, то это значение оказывается практически единственным параметром, в значительной мере влияющим на интенсивность теплоотвода.
  5. Далее проводится поверочный расчёт соответствия выбранных конструктивных и режимных параметров трубной системы величине располагаемой холодопроизводительности машин. Этот расчёт определяет минимальные значения скорости циркуляции хладоносителя и суммарной поверхности труб, а также и взаиморасположение последних, позволяющие за требуемый отрезок  времени отвести количество теплоты, необходимое для «заморозки» плиты и намораживания слоя льда.

Отметим, что неверный расчёт приводит к тому, что часть суммарной хо-лодопроизводительности машин не может быть использована в силу ограниченной теплопередающей способности трубной системы катка. В худшем случае кондиционный лёд не будет наморожен даже при соблюдении норм по удельной холодопроизводительности (Вт/м2), регламентированных международными стандартами.

Таким образом, рекомендуемый и используемый нами штатный теплофизический расчёт сводится к решению обратной задачи оптимизации конструктивных и режимных параметров в наиболее напряжённый период, когда слой 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 постановки задачи заказчиком 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 кв. м ледового поля, включая несущую, теплогидроизоляционную и технологическую его части и т.д.

Отметим, что несмотря на большой практический опыт, накопленный как зарубежными, так и отечественными фирмами, многие оптимизационные вопросы ещё не решены. В частности, нами в настоящее время решается ряд задач, в том числе:

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

При этом, всё-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 лёд бывает лёгким или тяжёлым, мягким и пластичным или жёстким и ломким. Некоторые также высказывают мнение, что такое понятие, как СПОРТИВНЫЙ ЛЁД, ни один печатный орган, ни одна структура никогда не считала серьёзной 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 определённым 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. При этом под режимными понимается не только скорость намораживания льда, но и дисперсность распыления частиц воды и толщина наносимого слоя. Темп намораживания во многом обусловливает и наличие пузырьков воздуха в «теле» льда; так, при скорости намораживания 0,5 мм/мин в 1 см3 льда содержится примерно 6 пузырьков воздуха, а при скорости 5 мм/мин число их достигает 300. Наличие воздуха, в свою очередь, делает лёд 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 секунды, каким является скольжение конька. Особое внимание должно быть уделено специальной подготовке воды в целях удаления различных веществ и механических примесей, влияние которых характеризует Таблица 1, построенная по данным Эренфельда и Джибса, полученным применительно к производству ледяных блоков.

Таблица 1                                                                                                                                

Примеси 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 Дает желтые или коричневые осадки и окрашивает кальциевый и магниевый осадки Удаляется
Оксиды алюминия и кремний Дают грязный осадок Практически удаляется
Взвешенные вещества Дают грязный осадок 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 Изменяются в сернокислый кальций
Хлористый магний Часто проявляется в виде белых пятен. Не дает осадка Изменяется в хлористый кальций
Двууглекислый натрий (углекислый натрий) Даже в небольших количествах при температурах ниже минус 9°. С часто вызывает растрескивание. Создает белые пятна, концентрируется в сердцевине, задерживает замерзание. Дает большую непрозрачную сердцевину. Осадка не образуется

Изменяется в углекислый натрий. Вид льда улучшается немного 

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

2. ПРАКТИКА

ИЗ ТАЙН ЛЁДОВАРЕНИЯ – технология заливки ледового покрытия на примере СТАДИОНОВ ДЛЯ ИГРЫ В ХОККЕЙ С МЯЧОМ.

На 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 с помощью финских и шведских фирм и два - в Казани и подмосковном Красногорске спроектированы и построены отечественными специалистами. На всех этих катках возникают проблемы с технологией подготовки и поддержания качественного льда. Это, во- первых, удаление воздуха из засыпной конструкции ледового поля в процессе намораживания льда и, во- вторых, исключение или сведение к минимуму количества трещин на ледовой поверхности в процессе эксплуатации.

Эксплуатация открытых искусственных ледовых спортивных объектов 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 наморозки льда открытых катков для хоккея с мячом, является квалификация службы эксплуатации ледового сооружения. Не последним фактором, также влияющим на возможность получения ледового покрытия при положительной температуре окружающего воздуха, является правильность выбора ковра с искусственной травой, укладываемого на поверхность засыпной охлаждаемой технологической плиты. Помимо высокой теплопроводности составляющих ковёр 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!

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

Наморозка и поддержание искусственного льда на ледовых полях с искусственным травяным покрытием проводится в несколько этапов, важнейшими из которых являются:

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

На начальном этапе порядок выполнения работ зависит от погодных условий. При температуре воздуха, превышающей расчётную температуру поддержания искусственной ледовой поверхности, особенно в солнечную погоду, орошение поверхности поля следует производить из максимально возможного количества шлангов, чтобы исключить высыхание поля.  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, необходимых на следующих этапах для получения мелкого распыления воды. Процесс пропитки, в зависимости от погодных условий, требует около 2 суток. В процессе пропитки необходимо ручным катком постоянно уплотнять гравийную структуру технологической плиты через ковровое покрытие.

Второй этап - захолаживание влажного основания поля - выполняется включением в работу системы хладоснабжения ледового поля. Понижение температуры хладоносителя в процессе захолаживания должно производиться постепенно, не более чем на 1-2°С в час. Этап захолаживания целесообразно начинать в вечернее время суток. Захолаживание продолжается до появления устойчивого инея на поверхности искусственного травяного покрытия. Продолжительность этапа захолаживания также составляет около 2 суток.

Цель третьего этапа намораживания - получение на всей поверхности поля устойчивого качественного льда толщиной 40 - 50 мм. Этап намораживания из-за его большой трудоёмкости выполняется за 4 - 5 суток. Он разделяется на несколько стадий, первой из которых является намораживание "чернового" льда. Процесс наморозки "чернового" льда начинается с получения тонкого слоя толщиной около 6-10 мм. Вода на этом этапе наносится на охлаждённую поверхность поля уже через специальные насадки - распылители, подсоединяемые к шлангам. Мельчайшее  распыление воды позволяет обеспечить ее быстрое схватывание с охлаждённой поверхностью. При этом рекомендуется применять позонную заливку льда. По достижении по всей поверхности поля толщины льда в 6 - 10 мм, ледовое покрытие рекомендуется раскрошить (поломать). Принудительная ломка льда выполняется в целях придания структуре ледового покрытия большей прочности и устойчивости к отрицательному влиянию температурных деформаций, приводящих к образованию крупных трещин при достижении температуры окружающего воздуха минус 12 °С. Крошение льда выполняется с помощью ручного асфальтового катка, либо лёгкого садового мотоблока. После ломки процесс наморозки "чернового льда" осуществляется слоями толщиной не более 1-2 мм по всей поверхности поля одновременно. Таким образом, давая каждому слою возможность замёрзнуть, толщина "чернового" ледового покрытия доводится до 30 мм, после чего производится его грубое шлифование с помощью льдозаливочных машин типа "Олимпия" и разметка.

Рабочее ледовое покрытие - "товарный лёд" выполняется с помощью льдозаливочных машин, послойно с использованием тёплой умягчённой воды температурой не ниже + 40 °С.

Контролируемая толщина ледового покрытия на всём периоде эксплуатации ледового поля должна поддерживаться в пределах 40 - 50 мм. Температура поверхности льда должна контролироваться и поддерживаться на отметке минус 5 °С. При понижении окружающей температуры воздуха ниже минус 8 °С холодильные машины выключаются, ледовое покрытие поддерживается за счёт естественного холода.

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

При резких понижениях температуры окружающего воздуха и достижении температуры поверхности льда минус 12 °С целесообразно по возможности осуществить подвод к ледовой поверхности тепла путём периодического включения в работу циркуляционных насосов холодильной установки (не включая холодильные машины).

Для систем хладоснабжения ледовых полей, расположенных в климатических зонах, где температура воздуха в зимний период года может резко колебаться в значительном интервале, целесообразно предусматривать систему подогрева хладоносителя. Имея возможность осуществлять подогрев и поддержание заданной температуры хладоносителя в трубной системе ледового поля, служба эксплуатации способна исключить как появление крупных трещин на ледовой поверхности, так и её перемораживание, не позволяющее проводить качественный спортивно тренировочный процесс.

В заключение отметим, что в данной статье изложены общие принципы и подходы к расчёту, проектированию и заливке ледовых полей.  Для каждого конкретного ЗАКАЗЧИКА нами выполняется индивидуальный комплекс инженерных расчётов 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 Дворцов спорта, так и для малых тренировочных катков, строящихся, как правило, с весьма скудным финансированием.