Способ повышения скоростных свойств массива льда

Способ повышения скоростных свойств массива льда

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технологиям создания спортивных площадок с ледовым покрытием в закрытых помещениях для тренировок и выступлений на коньках и, в частности, к способу повышения скоростных свойств массива льда. Оно может быть использовано при создании или формировании массива льда в закрытых помещениях (катках) при проведении тренировочных и соревновательных процессов для спорта высших достижений, включая проведение Зимних Олимпийских Игр по ледовым видам спорта.

Один из важнейших вопросов при проведении тренировочных и соревновательных процессов для спорта высших достижений, включая проведение Зимних Олимпийских Игр по ледовым видам спорта, является возможность залить и сохранить на крытых катках высокоскоростной массив спортивного льда. Особое значение технологические вопросы заливки и обслуживания высокоскоростного массива льда приобретают для крытого конькобежного центра. Специфика конькобежного льда в отличие от хоккейного, льда фигуристов, льда спортсменов шорт-трека и керлинга в том, что единственная оценка результативности спортсмена - это время прохождения дистанции. Успех соревнований определяет количество рекордов, поставленных на катке. Рекорды катка сравниваются с абсолютными Мировыми рекордами или Олимпийскими рекордами, рекордами катков и личными рекордами спортсменов в зависимости от рейтинга соревнований.

Результативность конькобежцев в значительной степени зависит и от атмосферного давления на арене катка. Чем ниже давление воздуха в зоне выступления спортсмена, тем меньше сопротивление воздуха и выше результаты спортсмена. По данным Тена Схипхаувера, с повышением уровня катка на каждые 100 м результат бега конькобежца, например, на 1500 м улучшается на 0,1 секунды на круг в среднем. Это значит, что за счет высотного расположения катка результат бега для одного спортсмена при прочих равных условиях, например, на дистанции 1500 м для катка Хамара (высота 130 м) лучше в сравнении с катком Ванкувера или Сочи на 0,5 секунды, для катка Нагано (высота 375 м) результат лучше на 1,4 секунды, для Калгари (высота 1035 м) - на 3,6 секунды, для Солт-Лейк-Сити (высота 1305 м) - на 4,5 секунды, для катка Медео (высота 1691 м) - на 5,7 секунды. Данное преимущество высотного расположения катка объясняет, почему подавляющее количество действующих Мировых и Олимпийских рекордов достигнуты на высокогорных катках Калгари и Солт-Лейк-Сити.

Следует учитывать, что все четыре крытых конькобежных центра России расположены практически на уровне моря. Поэтому необходима технология заливки и обслуживания массива льда, обеспечивающая исключительное влияние на рост скоростных свойств поверхности льда. Это может позволить равнинным отечественным каткам создавать условия для проведения тренировочных и соревновательных процессов, конкурирующие с лучшими Мировыми катками, что очень важно для реализации Олимпийских соревнований.

Результаты спортсменов определяются в значительной степени и скоростными свойствами спортивного льда, и оптимальными параметрами воздушной среды в зоне бега спортсмена.

Перспектива получения высокоскоростного массива льда для спорта высших достижений вне зависимости от развития природных атмосферных процессов должна учитываться при проектировании демонстрационных крытых ледовых арен, например, крытых конькобежных центров. Как правило, в проекте технологической вентиляции помещения арены закладываются технологические возможности катка для оптимизации параметров массива льда и воздушной среды в зоне выступления спортсменов. Но для вывода равнинного катка по рейтингу в передовую группу Мировых крытых катков необходимы эксклюзивные технологические решения по скоростному льду.

Следует также отметить существенное влияние величины относительной влажности воздуха на скоростные свойства поверхностных слоев массива льда. Конденсат влаги воздуха, выпадающий в виде инея на поверхности массива льда, увеличивает коэффициент трения металла (лезвия конька) по льду. Скоростные свойства льда ухудшаются и для сохранения скоростных свойств льда следует, как это показано в патенте RU 2416058 (опубл. 10.04.2011) или как это опубликовано, например, М.В. Загайнов, Г.П. Яковлев, С.А. Ершов «Спортивный лед - от качества к рекордам» журнал Мир строительства и недвижимости №34 за 2009 год стр.46-49:

1. Выдерживать величину относительной влажности воздушной среды арены над беговыми дорожками на уровне, при котором процессы образования конденсата на поверхности массива льда не развиваются достаточно интенсивно, чтобы повлиять на ощутимое увеличение величины коэффициента трения. Конденсация на поверхности массива льда не происходит, если температура поверхности выше температуры точки росы для параметров воздушной среды над поверхностью льда. Например, при температуре поверхности льда -6°C, температуре воздушной среды над поверхностью льда +10°C, относительной влажности 30% температура точки росы около -6,7°C. С ростом относительной влажности воздушной среды повышается температура точки росы и начинается процесс выпадения конденсата на поверхности массива льда; и

2. Выдерживать величину относительной влажности воздушной среды арены над беговыми дорожками на уровне, при котором спортсмены- конькобежцы не чувствуют дискомфорт, влияющий на потенциальные возможности спортсмена на беговых дорожках из-за низкой относительной влажности воздушной среды в зоне дыхания. Следует минимизировать указанный дискомфорт.

Обычно относительная влажность воздушной среды в зоне пребывания конькобежца выдерживается около 35%.

Известны также изобретения, касающиеся формирования поверхностного слоя льда и формирования универсального массива льда: патенты, RU 2413909 (опубл. 10.03.2011) и RU 2414655 (20.03.2011). Использование данных патентов не обеспечит заметного влияния на рост скоростных свойств массива льда к уже достигнутому уровню на аренах ведущих отечественных крытых конькобежных центров.

Абсолютное влагосодержание воздушной среды на отметке 1,5 м над поверхностью ледовых дорожек определяется параметрами воздушной среды и напрямую в условиях эксплуатации катка не задается и не регулируется системой автоматического регулирования технологических кондиционеров помещения арены. По техническим условиям соревнований конькобежного спорта высших достижений температура воздушной среды на отметке 1,5 м над уровнем льда задается 13-14°C или 14±0,5°C. Относительная влажность на указанной отметке задается 35±3%. В этом случае абсолютное влагосодержание будет около 3,5 г/кг. Изменение любого из двух указанных параметров воздушной среды (температуры и относительной влажности) вызовет мгновенное соответствующее изменение величины абсолютного влагосодержания.

Температура технологической воды, используемой для заливки массива льда и его обслуживания, выбирается при шланговой заливке из диапазона 10÷45°C, при комбайновой заливке из диапазона 40÷70°C. Важна схема применения величин температур воды, которая в упомянутых патентах не рассматривается.

Температура поверхности массива льда выбирается из целесообразности для вида ледового спорта. Например (смотри М.В. Загайнов, Г.П. Яковлев, С.А. Ершов «Спортивный лед - от качества к рекордам» журнал Мир строительства и недвижимости №34 за 2009 год стр.46-49) для фигурного катания -3÷-4,5°C, для хоккея с шайбой -4,5÷-6°C. Сложнее выбор для конькобежного спорта.

В работе «Сверхбыстрый лед: иллюзии и реальность» журнал «Холодильный бизнес» №11 за 2004 год дана зависимость силы трения конька по льду от температуры поверхности льда (Фиг.1). Оценка влияния температуры поверхности льда на его скоростные свойства, выполненная авторами данной работы по экспериментальным данным Фиг.1 показала, что минимальная сила трения конька по поверхности льда равна 0,008 при температуре поверхности льда - 7°C. Эти условия должны обеспечивать более высокую скорость конькобежца. При температуре поверхности льда -6°C эта сила повышается до 0,009, а условия скольжения конька по льду ухудшаются, а при температуре поверхности льда -5°C эта сила трения повышается до 0,01. Таким образом, поддержание на поверхности льда температуры -6°C ухудшает скоростные свойства льда на 12,5%, а поддержание на поверхности льда температуры -5°C ухудшает скоростные свойства льда на 25%.

Оптимальная температура поверхности льда для скоростного бега на коньках, по данным исследований Университета Амстердама, лежит в диапазоне величин -5°C÷-7°C, что, в принципе, совпадает с результатами приведенных выше отечественных работ. Комфортная для конькобежцев температура воздуха на отметке 1,5 м над массивом льда +13°C±1°C. Относительную влажность воздуха на отметке 1,5 м для получения высокоскоростного льда следует опустить к 35%. Абсолютное влагосодержание воздуха при температуре воздуха 14°C и относительной влажности 35% будет 3,5 г/кг с.в. при температуре точки росы -1,7°C.

Для видов ледового спорта, предъявляющих повышенные требования к скоростным свойствам массива льда (скоростной бег на коньках и керлинг), используется для заливки и обслуживания массива льда вода, деионизированная в мембранном фильтре обратного осмоса. Использование воды, умягченной в ионообменном фильтре, нежелательно, так как соли, содержащиеся в воде, поднимаются в верхний слой массива льда и влияют на снижение скоростных свойств массива льда. Использование воды, умягченной в ионообменном фильтре, допускается кратковременно в ограниченных объемах для решения сопутствующих технологических задач. Для остальных видов ледового спорта допускается применение воды, умягченной в ионообменном фильтре.

Температура бетонной технологической плиты - опоры массива льда является промежуточной величиной и не может задаваться как регулируемый технологический параметр. Технологическим результирующим параметром является температура поверхности льда. А задаваемым параметром - температура хладоносителя, поступающего в экранные трубы бетонной плиты. Температура бетонной плиты или на границе раздела бетон - лед промежуточная температура, которая зависит от многих параметров, в том числе от толщины массива льда, температуры хладоносителя, температуры воздушной среды над поверхностью льда и теплопритоков к массиву. Подбирать в процессе эксплуатации катка приходится температуру хладоносителя с учетом толщины массива льда, температуры хладоносителя, температуры воздушной среды над поверхностью льда и реальных теплопритоков к массиву льда для получения желаемой температуры поверхности массива льда.

В качестве прототипа может быть выбрано изобретение RU 2343370 (опубл. 10.01.2009) или изобретение RU 2326151 (опубл. 10.06.2008). Суть изобретений в применении при заливке верхнего слоя массива льда для химической модификации поверхностного слоя массива льда малых доз органических соединений. Предлагается к применению поливинилпиролидон (ПВП) (в количестве 0,00025-0,000625%) и глицерин (в количестве 0,00125-0,0125% от массы воды), заливаемые вместе с технологической водой в баки ледовых комбайнов, используемых для заливки последних слоев массива льда. Последний (модифицированный) слой массива льда намораживается после завершения подготовки массива льда, включающей сухое строгание, намораживание слоя комбайновым методом с использованием очищенной деионизацией в мембранном фильтре обратного осмоса технологической водой с выдержкой слоя определенное время. Заливка модифицированных слоев массива льда чередуется с заливкой слоев очищенной водой и выдержкой слоев определенное время.

Недостатками данных изобретений является то, что обеспечивает лишь кратковременный эффект существенного роста скоростных свойств массива льда, удовлетворяющих требованиям спорта высоких достижений. Затем, как правило, следует возникновение муара на наружной поверхности массива льда. Накопление ПАВ и композита в поверхностных слоях массива в сочетании с продуктами выхлопа двигателей внутреннего сгорания, используемых в помещении арены механизмов, следами органики и ПАВ приводят к возникновению на поверхности массива муара - мелкого или крупного рисунка неровностей поверхности льда. Вид поверхности льда, имеющей микронеровности - муар с мелким рисунком (тиснением), приведен на Фиг.2. Вид поверхности льда, имеющей макронеровности - муар с крупным рисунком (тиснением), приведен на Фиг.3.

Лед, имеющий микронеровности - муар с мелким рисунком (тиснением), как правило, с высокими скоростными свойствами. Он вызывает ощущение, что на поверхность нанесли тиснение. Бег конька по такому льду сопровождается вибрацией вызывающей раздражение у спортсмена. Поэтому естественно такой лед никак не годится для проведения соревнований. На таком льду кататься некомфортно, о чем высказывались тренеры ведущих спортсменов страны. Лед, имеющий макро неровности, не может быть использован даже для проведения тренировочных процессов. При появлении муара лед требует проведения специальных технологических операций - лечения, заключающихся в сухом строгании поверхности массива и снижении концентрации накопленных веществ в поверхностных слоях. Практически внедрение изобретений при подготовке соревнований приводит к тому, что в период тренировок и раскаток спортсменов качество льда соответствует всем высоким требованиям, а в период соревнований, продолжающихся, как правило, 3-5 дней, проблемы с муаром создают сложности с проведением соревнований, приводя к риску срыва соревнований.

Предлагаемое изобретение позволит получать желаемые скоростные свойства массива льда, уменьшится возможность возникновения мура на наружной поверхности массива льда.

Указанный технический результат обеспечивается применением способа повышения скоростных свойств массива льда согласно настоящему изобретению. Способ содержит следующие этапы, на которых:

Производят заливку чернового массива льда с повышением твердости льда по чистой, обезжиренной и высушенной бетонной плите, поверхность которой охлаждена до температуры -6÷-7°C. Заливку чернового льда выполняют в 9-12 слоев шланговой заливки с использованием двух или четырех шлангов. Шланги обычно используют с насадками без распылителей. По меньшей мере три первых слоя заливают шланговым способом с температурой воды 10-20°C. Для заливки применяют воду, очищенную деионизацией в мембранном фильтре обратного осмоса. Расход воды на заливку одного слоя шланговой проливки в расчете на площадь беговых дорожек ледового поля арены составляет 8 м³/слой ± 5%. Время между заливкой слоев определяется длительностью замерзания слоя, длительностью подготовки технологической воды для заливки следующего слоя и длительностью опуска температуры поверхности массива до заданной температуры -6÷-7°C. Температура хладоносителя, подаваемого в экранные трубки системы хладоснабжения технологической плиты, должна быть понижена на 0,5°C к величине на начало заливки текущего слоя.

Последующие три-четыре слоя заливают также шланговым способом с температурой воды 25-35°C. Для заливки применяют воду, очищенную деионизацией в мембранном фильтре обратного осмоса. Расход воды на заливку одного слоя шланговой проливки в расчете на площадь беговых дорожек ледового поля арены составляет 8 м³/слой ± 5%. Время между заливкой слоев определяется длительностью замерзания слоя, длительностью подготовки технологической воды для заливки следующего слоя и длительностью опуска температуры поверхности массива до заданной температуры -6÷-7°C. Температура хладоносителя, подаваемого в экранные трубки системы хладоснабжения технологической плиты, должна быть понижена на 0,5°C.

По меньшей мере три следующих слоя заливают также шланговым способом с температурой воды 35-45°C. Для заливки применяют воду, очищенную деионизацией в мембранном фильтре обратного осмоса. Расход воды на заливку одного слоя шланговой проливки в расчете на площадь беговых дорожек ледового поля арены составляет 8 м³/слой ± 5%. Время между заливкой слоев определяется длительностью замерзания слоя, длительностью подготовки технологической воды для заливки следующего слоя и длительностью опуска температуры поверхности массива до заданной температуры -6÷-7°C. Температура хладоносителя, подаваемого в экранные трубки системы хладоснабжения технологической плиты, должна быть понижена на 0,5°C.

Завершатют заливку чернового льда выполнением строгания последнего слоя ледовым комбайном на глубину 0,35 мм с комбайновой заливкой слоя водой (очистка после обратного осмоса) с температурой 40-55°C.

Далее осуществляют заливку чистового или рабочего льда путем заливки от 10 до 12 слоев. По меньшей мере 2 первых слоя заливают шланговым способом с температурой воды 10-20°C. Для заливки применяют воду, очищенную деионизацией в мембранном фильтре обратного осмоса. Расход воды на заливку одного слоя шланговой проливки в расчете на площадь беговых дорожек ледового поля арены составляет 8 м³/слой ± 5%. Время между заливкой слоев определяется длительностью замерзания слоя, длительностью подготовки технологической воды для заливки следующего слоя и длительностью опуска температуры поверхности массива до заданной температуры -6÷-7°C. Температура хладоносителя, подаваемого в экранные трубки системы хладоснабжения технологической плиты, должна быть понижена на 0,5°C.

По меньшей мере четыре следующих слоя заливают шланговым способом с температурой воды 25-35°C. Для заливки применяют воду, очищенную деионизацией в мембранном фильтре обратного осмоса. Расход воды на заливку одного слоя шланговой проливки в расчете на площадь беговых дорожек ледового поля арены составляет 8 м³/слой ± 5%. Время между заливкой слоев определяется длительностью замерзания слоя, длительностью подготовки технологической воды для заливки следующего слоя и длительностью опуска температуры поверхности массива до заданной температуры -6÷-7°C. Температура хладоносителя, подаваемого в экранные трубки системы хладоснабжения технологической плиты, должна быть понижена на 0,5°C.

Далее выполняют строгание последнего слоя комбайном на глубину 0,35 мм с заливкой водой (очистка после обратного осмоса) с температурой 40-55°C.

Последующие по меньшей мере три слоя заливают шланговым способом с температурой воды 35-45°C. Для заливки применяют воду, очищенную деионизацией в мембранном фильтре обратного осмоса. Расход воды на заливку одного слоя шланговой проливки в расчете на площадь беговых дорожек ледового поля арены составляет 8 м³/слой ± 5%. Время между заливкой слоев определяется длительностью замерзания слоя, длительностью подготовки технологической воды для заливки следующего слоя и длительностью опуска температуры поверхности массива до заданной температуры -6÷-7°C. Температура хладоносителя, подаваемого в экранные трубки системы хладоснабжения технологической плиты, должна быть понижена на 0,5°C.

Завершают заливку чистового или рабочего льда выполнением строгания последнего слоя ледовым комбайном на глубину 0,35 мм с комбайновой заливкой слоя водой (очистка после обратного осмоса) с температурой 55-70°C.

В итоге получают массив льда с толщиной, которая составляет 25-30 мм, что является оптимальной величиной для реализации тренировочных и соревновательных процессов скоростного бега на коньках.

Далее на сформированном массиве льда проводят однократную химическую модификацию поверхностного слоя массива льда. Данной действие осуществляют ледовым комбайном строганием на глубину 0,3 мм с комбайновой заливкой слоя водой с температурой 55-70°C, которая содержит поливинилпирролидон (ПВП) в количестве 0,000524%±0,000055% от массы воды и глицерин в количестве 0,00262%±0,00039% от массы воды. Строгание производят одновременно два ледовых комбайна, расход технологической воды каждого комбайна принимается в пределах 640-700 литров. Остаток воды из баков комбайнов сливается в канализацию.

Ледовые дорожки поля арены готовы для проведения тренировочных и соревновательных процессов конькобежцев. Ледовые дорожки обслуживаются по графику соревнований или тренировок.

В ходе эксплуатации модификатор может и будет вымываться из поверхностного слоя массива льда. Исследования, проведенные авторами данного изобретения, показали, что оптимальное (суммарное = ПВП + глицерин + органические загрязнители слоя) содержание модифицирующей органики в поверхностном слое массива льда должно находиться в пределах 0,005-0,009% от массы воды, образующей слой льда. При концентрации органики менее 0,001% технологического эффекта по росту скоростных свойств массива льда нет, а при концентрации органики выше 0,01% начинается интенсивное развитие процессов образования муара. График вымывания модифицирующей добавки из поверхностного слоя массива льда представлен на Фиг.4.

Также необходимо отметить, что возможно проведение повторной однократной химической модификации поверхностного слоя массива льда после минимально одного дня тренировочного или соревновательного процесса. В качестве химического модификатора поверхностных слоев массива льда поливинилпирролидон (ПВП) (в количестве 0,000524%±0,000055%) и глицерин (в количестве 0,00262%±0,00039% от массы воды), заливаемые вместе с технологической водой в баки ледовых комбайнов, используемых для заливки последних слоев массива льда. Будет выполняться строгание на глубину 0,3 мм ледовым комбайном поверхности массива льда с комбайновой заливкой слоя водой (очистка после обратного осмоса) с температурой 55-70°C и соответствующим содержанием модифицирующей органики. Строгание будут производят также одновременно два ледовых комбайна, расход технологической воды каждого комбайна принимается в пределах 640-700 литров. Остаток воды из баков комбайнов сливается в канализацию. Ледовые дорожки поля арены готовы для проведения тренировочных и соревновательных процессов конькобежцев.

Следующая однократная модификация поверхностного слоя массива льда возможна после снижения концентрации органического модификатора ниже 0,002%. Длительность эксплуатации ледовых дорожек может быть выбрана с учетом данных, приведенных на Фиг.4.

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 повышения скоростных свойств массива льда, содержащий этапы, на которых:- на предварительно подготовленной бетонной плите производят заливку чернового массива льда, поверхность которой охлаждена до температуры -6 - -7°C, путем заливки от 9 до 12 слоев, где, по меньшей мере, три первых слоя заливают водой с температурой 10-20°C, последующие три-четыре слоя - 25-35°C; а последующие, по меньшей мере, три слоя - 35-45°C;- завершают заливку чернового льда выполнением строгания последнего слоя ледовым комбайном на глубину 0,35 мм с комбайновой заливкой слоя водой с температурой 40-55°C;- производят заливку чистового массива льда поверх чернового массива льда путем заливки от 10 до 12 слоев, где, по меньшей мере, два первых слоя заливают водой с температурой 10-20°C, последующие, по меньшей мере, четыре слоя - 25-35°C, после которых выполняют строгание последнего слоя комбайном на глубину 0,35 мм с заливкой водой с температурой 40-55°C, и последующие, по меньшей мере, три слоя - 35-45°C;- завершают заливку чистового льда выполнением строгания последнего слоя ледовым комбайном на глубину 0,35 мм с комбайновой заливкой слоя водой с температурой 55-70°C; и- проводят однократную химическую модификацию поверхностного слоя массива льда ледовым комбайном строганием на глубину 0,3 мм с комбайновой заливкой слоя водой с температурой 55-70°C, которая содержит поливинилпирролидон (ПВП) в количестве 0,000524%±0,000055% от массы воды и глицерин в количестве 0,00262%±0,00039% от массы воды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что применяют для заливки массива льда воду, очищенную деионизацией в мембранном фильтре системы обратного осмоса.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что после заливки каждого слоя понижают температуру хладоносителя, подаваемого в экранные трубки системы хладоснабжения бетонной плиты, на 0,5°C к значению температуры хладоносителя на начало заливки упомянутого слоя.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что время между заливкой слоев определяют длительностью замерзания только что залитого слоя, длительностью подготовки технологической воды для заливки следующего слоя и длительностью понижения температуры поверхности массива до заданной температуры -6 - -7°C.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при достижении концентрации органики менее 0,001% в процессе использования льда проводят повторную однократную химическую модификацию поверхностного слоя массива льда.