Способ формирования универсального массива льда (варианты)

Способ формирования универсального массива льда (варианты)

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к технологиям создания универсального массива льда на спортивных площадках в закрытых помещениях для тренировочно-соревновательного процесса по нескольким видам зимнего спорта: конькобежному, фигурному катанию, хоккею с мячом и с шайбой, керлингу и другим.

Уровень техники

Каждый вид спорта предъявляет разные требования к физико-механическим параметрам льда и климатическим параметрам арены, оказывает разную нагрузку на ледовый массив и требует, соответственно, разных подходов к технологии создания массива льда, поддержанию оптимальных физических свойств поверхности льда и климата на арене.

В настоящее время разработано множество способов формирования или создания искусственного льда.

В патентах РФ 2364804 (опубл. 20.08.2009), РФ 2364806 (опубл. 20.08.2009) и РФ 2364807 (опубл. 20.08.2009) предлагаются способы получения многослойного ледового покрытия для фигурного катания, керлинга и хоккея, соответственно, в которых при формировании подосновы (первых слоев ледового массива) используют добавки аммиака и других веществ. Использование аммиака при формировании массива льда вызывает появление резкого запаха, а повышение скользящих свойств хоть и наблюдается, но имеет кратковременный эффект.

Прототипом предлагаемого изобретения может служить патент РФ 2316700 (опубл. 10.02.2008), в котором предлагается способ формирования массива льда, при котором осуществляют так называемый «отжиг» для снятия напряжений в массиве льда и получения массива льда с максимально скользящими свойствами. Однако технология «отжига» является долговременной при формировании массива льда.

Также известно множество способов формирования массива льда, при которых используют различные добавки и примеси. Однако при кристаллизации воды, содержащей примеси, происходит постепенное вытеснение примесей из кристаллической решетки льда на его поверхность, а при дальнейшем понижении температуры льда пленка выделившихся примесей отвердевает и создает своего рода абразивный эффект, что увеличивает коэффициент трения конька по льду.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является исключение недостатков указанных выше аналогов и создание универсального искусственного льда для нескольких видов зимнего спорта с обеспечением необходимых для конкретных видов спорта свойств льда.

Эта задача с достижением указанного технического результата решается способом формирования универсального массива льда по настоящему изобретению. Способ включает в себя послойное намораживание массива льда, при котором послойное намораживание осуществляют при температуре плиты, на которую заливают и намораживают массив льда, выбранной из интервала от -9 до -14°C, при этом температуру хладоносителя, циркулирующего в упомянутой плите, устанавливают постоянной при достижении упомянутой плитой указанной выше температуры и не изменяют ее во время заливки и намораживания каждого из слоев упомянутого массива льда.

Дополнительная особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что доведение температуры упомянутой плиты до температуры, выбранной из интервала от -9 до -14°C, осуществляют за счет доведения температуры хладоносителя, циркулирующего в упомянутой плите, до температуры, выбранной из интервала от -11 до -16°C, при этом темп понижения температуры упомянутой плиты выбирают следующим образом: до температуры +3°C выбирают 1°C /ч, от +3 до -3°C - 0,5°C/ч и от -3 до -14°C - 1°C /ч, соответственно.

Еще одна дополнительная особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что второй и последующие слои массива льда заливают и намораживают через время, необходимое для достижения упомянутой плитой температуры, равной температуре упомянутой плиты во время начала заливки и намораживания первого слоя массива льда.

Эта задача с достижением указанного технического результата также решается в способе формирования универсального массива льда по настоящему изобретению. Данный способ включает в себя послойное намораживание массива льда, при котором намораживают первый слой массива льда путем конденсирования влаги из окружающего воздуха помещения арены на плиту, на которую заливают и намораживают массив льда; последующие слои упомянутого массива льда заливают и намораживают, применяя воду, умягченную в ионообменном фильтре, и воду, деионизированную в мембранном фильтре обратного осмоса; при этом заливают и намораживают упомянутые последующие слои упомянутого массива льда, чередуя подачу упомянутой умягченной воды для формирования по меньшей мере одного слоя упомянутого массива льда и упомянутой деионизированной воды для формирования по меньшей мере одного слоя упомянутого массива льда.

Дополнительная особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что намораживание первого слоя массива льда путем конденсирования влаги из окружающего воздуха помещения арены осуществляют за счет доведения температуры упомянутой плиты до температуры, выбранной из интервала от -9 до -14°C, понижая температуру хладоносителя, циркулирующего в упомянутой плите, до температуры, выбранной из интервала от -11 до -16°C, при этом темп понижения температуры упомянутой плиты выбирают следующим образом: до температуры +3°C выбирают 1°C/ч, от +3 до -3°C -0,5°C/ч и от -3 до -14°C - 1°C/ч, соответственно.

Еще одна дополнительная особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что второй и последующие слои массива льда заливают и намораживают через время, необходимое для достижения упомянутой плитой температуры, равной температуре упомянутой плиты во время начала заливки и намораживания первого слоя массива льда.

Еще одна дополнительная особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что используют воду, умягченную в ионообменном фильтре, и воду, деионизированную в мембранном фильтре обратного осмоса, с температурой, выбранной из интервала от +20 до +70°.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

Плита, на которую заливают и намораживают массив льда (или бетонная плита, служащая подложкой для ледяного массива) - сложное инженерное сооружение. Для конькобежного спорта она имеет наибольшую площадь намораживания (например, порядка 10500 м²) и состоит из двух основных зон - конькобежной дорожки и центральной части. В свою очередь зона конькобежной дорожки делится на 4 подзоны (2 виража и 2 прямые), центральная зона делится на 6 подзон (площадка для хоккея с шайбой, керлинг, трехзонная детская беговая, вираж для конькобежцев). Поскольку универсальный массив льда предполагается использовать под все указанные выше виды спорта, то плита должна иметь режимы холодоснабжения всех основных зон и подзон с регулированием температурных режимов, что позволит одновременно проводить тренировки и другие мероприятия по различным видам спорта.

В процессе эксплуатации плита может испытывать значительные разнонаправленные физические нагрузки. Например, при заливке массива происходит охлаждение плиты фактически более чем на 30 градусов (например, с +20°C до -14°C). При этом линейные размеры плиты могут уменьшаться на 5-7 сантиметров. Во избежание разрушения плиты под ней предусмотрен скользящий слой, плита не является монолитной, а имеет зоны компенсации и температурные швы. При каждом цикле намораживания льда, даже при соблюдении всех технологических параметров, возникают объективные причины для неконтролируемого растрескивания льда из-за накопления локальных и региональных напряжений в создаваемом ледяном массиве, обусловленных большой разницей коэффициентов линейного расширения бетона и льда (для бетона 10·10^-6 град.^-1, для льда 50·10^-6 град.^-1).

Кроме того, поверхность данной бетонной плиты имеет свои геодезические особенности, а именно наличие рельефа поверхности, т.е. отклонений от нулевой отметки горизонта, что обуславливает латеральную неоднородность поля напряжения в ледовом массиве. Имеющийся рельеф поверхности плиты приводит к формированию массива льда с меняющейся по площади толщиной и температурой на поверхности льда.

Подбором температурных показателей плиты, льда и воды для заливки, химического состава воды, выдерживанием определенных временных параметров удается максимально предотвратить процесс растрескивания льда.

Массив спортивного льда - это замороженная вода высокой степени очистки объемом приблизительно 400 м³. Для подготовки такой воды необходимо оборудование многоступенчатой очистки, включающей механическую фильтрацию (4 стадии), очистку в угольном фильтре, умягчение (ионный обмен), полное обессоливание (деионизация) в мембранном фильтре обратного осмоса, биологическую стерилизацию и термическую обработку (нагрев и охлаждение).

При этом применяют воду той или иной степени очистки для заливки льда под разные виды спорта. Так, конькобежный спорт, в котором очень большую роль играет состояние поверхности льда, а именно отсутствие шероховатостей и низкий коэффициент трения, требует непременного применения глубоко очищенной воды. В мировой практике это признано одним из важнейших факторов достижения самых высоких результатов конькобежцев.

При кристаллизации воды, содержащей примеси, происходит постепенное вытеснение примесей из кристаллической решетки льда на его поверхность. При дальнейшем понижении температуры льда пленка выделившихся солей отвердевает и создает своего рода абразивный эффект, что увеличивает коэффициент трения конька по льду. Так, при заливке льда водой, прошедшей обратноосмотическую очистку, коэффициент трения льда находится в диапазоне 0,017-0,020, а при применении необессоленной воды коэффициент трения возрастает до 0,020-0,025. Применение воды высокой степени очистки не приводит к образованию на поверхности массива слоя выделившихся солей.

Характеристики воды различной степени очистки, применяемой для заливки льда, приведены в табл.1.

Таблица 1
Характеристики воды	Исходная вода	Умягченная вода	Деионизированная вода
Электропроводность, мкСм/см	380-420	360-400	2-5
Жесткость, мг-экв/л (dH)	3,8-5,4 (10,7-15,0)	0,1-0,3	0,05-0,08
(0,3-0,8)	(0,15-0,25)
Железо общее, мг/л	0,03-0,10	0,02-0,03	0,01-0,02
Железо 2-валентное, мг/л	0,02-0,05	0-0,02	0-0,01
Хлор общий, мг/л	0,3-0,9	0,01-0,03	0-0,02
Хлор свободный, мг/л	0,03-0,40	0-0,04	0-0,01
Сульфаты, мг/л	30-50	20-50	0
Сульфиды, мг/л	5-8	3-5	0
Азот аммонийный, мг/л	0,10-0,15	0,10-0,15	0
Фториды, мг/л	0.2-0.3	0-0.1	0

Помимо основных физических параметров арены на показатели льда и его качество влияет множество других факторов:

- частота заливок льда (в соревновательный период через 30-40 минут);

- толщина массива льда;

- температура воды для заливки льда;

- степень освещенности ледовой арены;

- количество спортсменов, находящихся на льду, и интенсивность их движений, влияющая на циркуляцию воздуха надо льдом;

- скорость льдоуборочного комбайна и глубина подрезки льда (от 0,1 до 0,6 мм);

- особенности управления комбайном разными водителями;

- чистота полотенца и качество заточки и регулировки ножа льдоуборочного комбайна;

- наличие утечек нефтепродуктов из двигателей и гидроузлов льдоуборочных комбайнов и другие органические загрязнения (например, выхлопные газы).

Поэтому получение льда требуемого качества очень сложная техническая задача, требующая всестороннего учета всех вышеуказанных факторов, оптимального и рационального управления инженерными системами и координированного взаимодействия всех подразделений комплекса, связанных с технологическим процессом.

Способ формирования универсального массива льда является сложным технологическим процессом и заключается в следующем. До начала формирования или создания массива льда бетонную плиту (или технологическую плиту) очищают и начинают понижать ее температуру путем уменьшения температуры хладоносителя, циркулирующего в ней. Охлаждение плиты до интервала температур, который лежит преимущественно от -9°C до -14°C, нужно для выведения ее на рабочий режим формирования массива льда. Указанный диапазон температур получен экспериментальным путем. Для того чтобы обеспечить температуру плиты ниже -14°C, необходима установка более мощного (то есть дорогого) холодильного оборудования. Температуру плиты выше -9°C выбирать нецелесообразно, поскольку при температурах выше -9°C не обеспечиваются оптимальные условия качества поверхности льда для указанных выше зимних видов спорта.

Также для исключения нежелательных физико-механических напряжений в плите понижение температуры плиты до температуры, выбранной из интервала от -9 до -14°C, осуществляют за счет доведения температуры хладоносителя, циркулирующего в упомянутой плите, до температуры, выбранной из интервала от -11 до -16°C, при этом темп понижения температуры упомянутой плиты выбирают следующим образом: до температуры +3°C выбирают 1°C/ч, от +3 до -3°C - 0,5°C/ч и от -3 до -14°C - 1°C/ч, соответственно.

Одновременно с выведением плиты на рабочий режим относительная влажность окружающего воздуха или воздушной среды в помещении арены, где размещена плита, при температуре упомянутого воздуха, лежащего в пределах от +15 до +25°C, составляет 45-60%, хотя допустимыми являются пределы от 30 до 80%. Увлажнение окружающего воздуха достигается путем установки соответствующего режима работы кондиционеров окружающего воздуха, оснащенных системами сотового доувлажнения воздуха либо парогенераторами или их комбинацией.

Одновременное понижение температуры плиты при упомянутой выше влажности окружающего воздуха ведет к образованию первого слоя льда на плите путем конденсирования влаги из окружающего воздуха.

При этом при формировании универсального массива льда необходимо, чтобы второй и последующие слои массива льда заливали и намораживали через время, необходимое для достижения упомянутой плитой температуры, равной температуре упомянутой плиты во время начала заливки и намораживания первого слоя массива льда. То есть после заливки очередного слоя плита отепляется за счет температуры воды. Для исключения температурных напряжений в плите необходимо, чтобы плита постепенно достигла температуры, при которой начата заливка первого слоя массива льда. Это достигается тем, что температура хладоносителя в плите не изменятся во время формирования (заливки и намораживания) всего массива льда (каждого из слоев), то есть устанавливается постоянной. Например, при температуре плиты во время формирования массива льда в -10°C, температура хладоносителя составляет -12°C. Время, которое необходимо для того, чтобы температура плиты достигла температуры начала заливки, составляет порядка четырех или пяти часов (зависит от толщины плиты, массива уже намороженного льда, расстояния от трубок с хладоносителем до поверхности плиты и другие).

Намораживаемый указанным выше образом первый слой льда имеет хорошие прочностные и адгезионные свойства, которые впоследствии способствуют лучшему теплообмену между плитой и последующим намороженным массивом льда, исключая нежелательные отслоения на границе раздела бетон-лед. Упомянутые выше действия происходят при четком контролировании заданной температуры воздуха, причем намораживание первого слоя на плиту путем конденсирования влаги осуществляется примерно 12 часов.

Второй и последующие слои массива льда получают путем заливки водой, которая проходит несколько стадий указанной выше очистки (применяют воду, умягченную в ионообменном фильтре, и воду, деионизированную в мембранном фильтре обратного осмоса). Упомянутая вода, подаваемая на заливку, имеет температуру в интервале: для шланговой заливки - от +10°C до +45°C, для машинной подливки - от +40°C до +70°C.

При заливке второго и каждого из последующих слоев массива льда циркуляция хладоносителя в плите не прекращается, а температура хладоносителя остается на вышеупомянутом значении (является постоянным на протяжении всего процесса формирования льда), которое, напомним, преимущественно находится в интервале от -11°C до -16°C. Толщина заливаемого и намораживаемого слоя льда составляет, как правило, 1,5-2 мм. Общее число слоев в массиве льда может достигать 40 (обычно в пределах 10-35, хотя может и выходить за эти пределы).

Заливка каждого слоя водой может производиться из шлангов. Применение шлангов с цилиндрическими насадками для заливки каждого слоя водой объясняется уменьшенным захватом воздуха разливаемой водой в сравнении с технологией распыления (разбрызгивания). При этом вследствие уменьшения захвата разбрызгиваемой водой частиц воздуха предварительная деаэрация (дегазация) очищенной воды, как это делается, к примеру, в способе по выложенной заявке Японии №11-148754 (опубл. 02.06.1999), не является существенной технологической операцией. Захватываемый водой воздух из-за уменьшенной поверхности раздела фаз (воздух-вода) не образует большого количества пузырьков в массиве льда, ухудшающих свойства скользкости и снижающих теплопроводность массива. Отсутствие необходимости в дополнительном проведении дегазации воды для заливки является преимуществом способов по настоящему изобретению.

Кроме того, в процессе формирования массива льда, то есть при заливке и намораживании упомянутых последующих слоев (второй и последующие) массива льда чередуют подачу упомянутой умягченной воды для формирования по меньшей мере одного слоя массива льда и упомянутой деионизированной воды для формирования по меньшей мере одного слоя упомянутого массива льда. То есть, например, на первый слой массива льда, полученный путем конденсирования влаги из окружающего воздуха помещения арены, заливают и намораживают два слоя, используя упомянутую умягченную воду. Далее применяют деионизированную воду, заливая массив льда до толщин порядка 16-22 мм. Далее перед нанесением разметки на массив льда поверх упомянутых слоев заливают требуемое количество слоев, используя упомянутую умягченную воду.

Перед нанесением спортивной разметки массив льда подвергают сухому машинному строганию (то есть без подливки воды) на глубину порядка 1 мм, чтобы обеспечить выравнивание массива льда перед разметкой, а также уменьшить физико-механические напряжения, возникшие в массиве.

После нанесения спортивной разметки заливают и намораживают 5-6 слоев, используя деионизированную воду, поверх которых заливают и намораживают по меньшей мере один слой, используя умягченную воду.

Последующие слои массива льда заливают и намораживают, используя деионизированную воду. Количество слоев, заливаемое на данном этапе, определяется необходимой требуемой общей толщиной упомянутого массива льда.

Таким образом, формируемый в соответствии с представленным способом спортивный лед достигает высоких показателей прочности и в то же время имеет улучшенные характеристики скольжения и подходит как универсальное основание для тренировочно-соревновательного процесса по нескольким видам зимнего спорта: конькобежному, фигурному катанию, хоккею с мячом и с шайбой, керлингу и другим.

Хотя в данном описании указаны конкретные значения отдельных параметров, все они являются лишь иллюстративными, а не ограничивающими объем настоящего изобретения, который определяется только прилагаемой формулой изобретения.

1. Способ формирования универсального массива льда, включающий в себя послойное намораживание массива льда, при котором послойное намораживание осуществляют при температуре плиты, на которую заливают и намораживают массив льда, выбранной из интервала от -9 до -14°С, при этом температуру хладоносителя, циркулирующего в упомянутой плите, устанавливают постоянной при достижении упомянутой плитой указанной выше температуры и не изменяют ее во время заливки и намораживания каждого из слоев упомянутого массива льда.

2. Способ по п.1, в котором доведение температуры упомянутой плиты до температуры, выбранной из интервала от -9 до -14°С, осуществляют за счет доведения температуры хладоносителя, циркулирующего в упомянутой плите, до температуры, выбранной из интервала от -11 до -16°С, при этом темп понижения температуры упомянутой плиты выбирают следующим образом: до температуры +3°С выбирают 1°С/ч, от +3 до -3°С - 0,5°С/ч и от -3 до -14°С - 1°С/ч соответственно.

3. Способ по п.1, в котором второй и последующие слои массива льда заливают и намораживают через время, необходимое для достижения упомянутой плитой температуры, равной температуре упомянутой плиты во время начала заливки и намораживания первого слоя массива льда.

4. Способ формирования универсального массива льда, включающий в себя послойное намораживание массива льда, при котором намораживают первый слой массива льда путем конденсирования влаги из окружающего воздуха помещения арены на плиту, на которую заливают и намораживают массив льда;последующие слои упомянутого массива льда заливают и намораживают, применяя воду, умягченную в ионообменном фильтре, и воду, деионизированную в мембранном фильтре обратного осмоса;при этом заливают и намораживают упомянутые последующие слои упомянутого массива льда, чередуя подачу упомянутой умягченной воды для формирования по меньшей мере одного слоя упомянутого массива льда и упомянутой деионизированной воды для формирования по меньшей мере одного слоя упомянутого массива льда.

5. Способ по п.4, в котором намораживание первого слоя массива льда путем конденсирования влаги из окружающего воздуха помещения арены осуществляют за счет доведения температуры упомянутой плиты до температуры, выбранной из интервала от -9 до -14°С, понижая температуру хладоносителя, циркулирующего в упомянутой плите, до температуры, выбранной из интервала от -11 до -16°С, при этом темп понижения температуры упомянутой плиты выбирают следующим образом: до температуры +3°С выбирают 1°С/ч, от +3 до -3°С - 0,5°С/ч и от -3 до -14°С - 1°С/ч, соответственно.

6. Способ по п.4, в котором второй и последующие слои массива льда заливают и намораживают через время, необходимое для достижения упомянутой плитой температуры, равной температуре упомянутой плиты во время начала заливки и намораживания первого слоя массива льда.

7. Способ по п.4, в котором используют воду, умягченную в ионообменном фильтре, и воду, деионизированную в мембранном фильтре обратного осмоса, с температурой, выбранной из интервала от+10 до +70°С.