СПОСОБ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ЛЕДОВОЙ ПЛИТЫ
METHOD OF THE ICE PLATE FREEZING

Способ относится к области создания искусственных ледовых объектов, в частности ледовых плит, с применением в различных отраслях промышленности (пищевая, химическая, строительная и т.д.), но преимущественно может быть использован в получении и накоплении больших запасов льда на летний период.
Известен способ замораживания слоя воды, налитой по поверхности льда или площадки при минусовой температуре воздуха. Воздействие отрицательной температуры, особенно в ночное время, приводит к замораживанию слоя льда. Способ применим при температуре атмосферы минус (5-15)°C и ниже.
Недостаток способа заключается в длительном времени замораживания слоя воды, особенно при небольшой отрицательной температуре воздуха (от 0°C до -15°C). Слой воды толщиной 50 мм требует многих часов выдержки для замерзания в лед в указанном интервале температур.
Известен способ намораживания ледовых покрытий путем засыпки на подложку (лед водоема, реки, озера, поверхность площадки) слоя овально-сферических гранул льда. Поливом слоя струйками воды создают из этого слоя жесткий каркас путем образования ледяных перемычек между гранулами. После выдержки 1-3 с межгранульное пространство слоя заливают водой в одностороннем направлении и замораживают на холоде для достижения прочности, достаточной для удержания веса пешехода (патент №2556908 на изобретение от 06.08.2013 г. «Способ намораживания ледовых покрытий» / Полтавцев В.И., Мирошников П.В., Храпов А.А.).
В способе показана кубическая засыпка гранул, слой которой содержит 68,1% льда. Но при самой плотной укладке гранул (фиг. 1) объем пустот составляет более четверти общего объема слоя, т.к. гранулы одинакового размера при самой плотной упаковке занимают 74,04% объема слоя (http://dssp.petrsu.ru/p/tutorial/ftt/Part1_/part_1_5.htm, a также В МИРЕ НАУКИ. Scientific American/ Издание на русском языке. №3. Март 1984. С. 72-82. Упаковка шаров Н. ДЖ. А. СЛОЭН).
И несмотря на то что слой овально-сферических гранул льда, залитых водой, замерзает быстрее, чем слой воды одинаковой высоты (график 2, точка «а» на фиг. 2, Кинетика замораживания блоков льда из сферических гранул (1 - при -37°C; 2 - при -24°C; 3 - при -12°C) и воды (4 - при -37°C; 5 - при -24°C); сплошные графики - эксперимент, пунктирные -расчет), проходит 2,71 часа, т.е. значительное время для окончательного замерзания слоя гранул с водой, что составляет недостаток известного способа. Для сравнения слой воды одинаковой высоты (график 5, точка «б») замерзает за это время при такой же температуре лишь на 12%.
Одновременно проявляется другой недостаток способа: чем выше размер гранул и быстрее формирование слоя, тем медленнее такой слой замерзает вследствие падения скорости промерзания больших объемов воды в промежутках между гранулами.
Задачей изобретения является сокращение времени замораживания слоя из овально-сферических гранул, по сравнению с прототипом, для ледовых объектов конечной формы (плита, а также брус, куб и т.п.).
3
2
Поставленная задача решается благодаря тому, что выполняют засыпку слоя овально-сферических гранул льда в коробчатую форму, орошают водой с температурой 0…0,5°C для стабилизации каркаса, а в последующем наполняют ее водой с температурой 0,1-5°C и скоростью подъема уровня меньше 0,4 м/с, при том, что пустоты слоя как между гранулами, так и стенками формы заполняют ледовыми шарами соответствующего размера, орошение слоя ведут водой в количестве 2…6 дм на 1 см высоты слоя площадью 1 м, а заливку производят с одной и более сторон формы.
Размеры и количество шаров для плиты даны в таблицах 1 и 2.
Существо заявки отражено в чертежах, где
на фиг. 1 - плотная 4-слойная укладка монофракции гранул льда для замораживания плиты;
на фиг. 2 - кинетика замерзания блока из гранул льда с водой;
на фиг. 3 - вид А первого слоя на фиг. 1;
на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 3; пример расположения шаров льда между стенками и блоком гранул и внутри укладки;
на фиг. 5 - вписанные в полостях тетраэдра и октаэдра сферы;
на фиг. 6 - вид: укладка шаров под 1-м слоем гранул;
на фиг. 7 - укладка шаров 6 в торце емкости;
на фиг. 8 - укладка шаров между 1-м и 2-м слоями гранул;
на фиг. 9 - вид укладки шаров в ячейки тетра- и окто- между слоями;
на фиг. 10 - размер шаров 4 между дном и гранулами 1-го слоя;
на фиг. 11 - рассев и заготовка фракций ледовых шаров;
на фиг. 12 - закладки ледовых шаров в полости между гранулами;
на фиг. 13 - расположение ледовых шаров в пустотах 1-го слоя гранул.
Сущность предложенного способа заключается в следующем.
Выполняют емкость коробчатой формы 1 (фиг. 1, вид с торца), и заполняют ее слоями овально-сферических гранул льда 2 (в дальнейшем тексте - гранулы), уложенных гексагональной плотной упаковкой.
Для максимального заполнения емкости в первом нижнем слое берут нечетные: число рядов (в данном случае 5) и число овально-сферических гранул в крайних рядах справа и слева (в данном случае тоже по 5), размер которых, тех и тех (фиг. 3), определяет конечные размеры емкости: число гранул в крайних рядах - длину, а число рядов - ширину емкости. Форма емкости коробчатая и соответствует форме замораживаемых элементов (плита, брус, куб).
Между слоем гранул и днищем, а также боковыми и торцевыми стенками (фиг. 3), закладывают шары соответствующих размеров (здесь и в дальнейшем тексте - шары):
3 - шары между 2-мя гранулами, днищем и боковой стенкой;
4 - между 3-мя гранулами и днищем;
5 - в углах емкости (между гранулой, днищем, боковой и торцевой стенками);
6 - между 2-мя гранулами, днищем и торцевой стенкой.
Пространство слева и справа от укладки гранул (боковые полости, фиг. 4) заполняют шарами с постепенным увеличением размера:
7 - лежат на двух гранулах нижнего слоя, касаются гранулы верхней и боковой стенки;
8 - лежат на гранулах нижнего слоя и касаются двух гранул верхней и боковой стенки;
9 - как и в случае шара 7, лежат на двух гранулах, касаются верхней и боковой стенки;
10 - как и в случае шара 8;
11 - как и в случае шара 9.
Между слоями образуется два вида полостей: тетра- и октаэдрические из соприкосновения четырех и шести гранул (фиг. 6), поэтому:
12 - шары (фиг. 4), размеры которых соответствуют полости тетраэдра;
13 - шары, размеры которых соответствуют полости октаэдра.
С правой стороны емкости 1 (фиг. 5) шары 7-9 аналогичны таким же шарам с левой стороны. Однако заполнение полостей с правой стороны между первым (нижним) и третьим слоями затруднительно, т.к. полости имеют характер продолговатого тоннеля. Поэтому:
15 - шары закладывают в глубине тоннеля;
14 - между шарами 15 и стенкой;
16 - сдвоенные шары у самой стенки между шарами 14 (фиг. 3).
Размеры шаров (таблица 1) найдены методами стереометрии на основе построения пространственного расположения соответствующих элементов. В таблице 1 обозначены: r - радиус шаров, R - радиус гранул. Например, шар 4 (фиг. 11) расположен между днищем и тремя гранулами, которые условно изображены в виде эллипсоидов, а центры шара и гранул образуют равностороннюю пирамиду. Решая пространственную систему пирамиды, находим размеры шара 4.
Гранулы и шары емкости стабилизируют в жесткий каркас путем полива всего слоя струйками воды со скоростью, не превышающей скорости дробления капель воды, в количестве, достаточном для образования ледяных перемычек между гранулами за счет холода самих гранул и стенок емкости.
После выдержки 1-3 с емкость заливают водой с одной или нескольких сторон навстречу друг другу. Скорость подачи воды снижают по сравнению с прототипом, т.к. наполнение межгранульного пространства шарами понижает размеры каналов и просветов между частицами льда.
Положительным эффектом предложенного способа является существенное сокращение времени замерзания ледового объекта (плита, а также брус, куб и т.п.) в первую очередь за счет повышения доли уже готового льда, а во вторую - за счет увеличения потери тепла через шары в полостях по сравнению с водой при охлаждении общей массы гранулята, т.к. теплопроводность льда существенно выше, чем у воды.
Пример 1. В емкость 1 (фиг. 7) закладывают слой из пяти рядов гранул гексагональной структуры, из которых 3 ряда - по 5 гранул, а два ряда - по 4 гранулы. Гранулы уложены в 4 слоя: первый - нижний, четвертый - верхний. Между гранулами и боковыми стенками, а также между рядами гранул укладывают шары, ряды которых обозначены прописными буквами алфавита: «а», «б» и т.д.
В рядах «а» 2 шт. (5) и 4 шт. (3) установлено: 2 шара по поз. 5 (фиг. 6) и 4 шара по поз. 3.
В рядах «б» установлено: 7 шаров по поз. 4.
В 4-х полостях «в» установлено по 4 шара поз. 6, всего в слое 16 шаров. Укладка шаров 6 показана на фиг. 7, где на модели емкости 1 в качестве гранул 2 использованы теннисные мячи, а в качестве шаров 6 - деревянные бусы подходящего размера. Через прозрачную стенку торца емкости видно, что в полости 1-го слоя входит по 4 шара поз. 6.
Всего под первым (нижним) слоем установлено шаров: поз. 3-8 шт. (ряды «а», 4 слева и 4 справа); поз. 4 - 28 шт. (по 7 шт. в 4-х рядах «б»); поз. 5 - 4 шт. (по 1-му шару в четырех углах, в рядах «а»); а в торцах поз. 6 - 16 шт. (для одного слоя гранул 4 полости по 4 шара).
Одновременно отмечаем, что над 4-м слоем гранул помещено такое же количество шаров, как и под 1-м слоем (на примере шара 3, фиг. 4), т.к. расположение гранул в этих слоях одинаковое.
Закладка шаров между 1-м и 2-м слоями гранул показана на фиг. 8. Дана схема расчета количества шаров в полостях по продольным рядам укладки.
Расчет количества шаров между остальными слоями аналогичен предыдущему и условно не показан. Общее количество шаров представлено в таблице 2.
Видно, что в боковых пристеночных полостях каждого слоя шары 7 между гранулами меньше по размеру, чем шары 8, лежащие на гранулах.
Кроме того, отчетливо видно, что каждая гранула 2-го слоя (и 2-го ряда, фиг. 9) образует с 4-мя гранулами (по две 1-го и 2-го слоев) октоэдральные полости, где помещают шары 13, а с гранулами 1-го слоя тетраэдальные полости, в которых уложены шары 12.
Одновременно при укладке слоев возникает ситуация выбора вариантов совмещения шаров по размерам.
В полости слева можно поместить шары 11 с определенной степенью заполнения, либо оставить гранулу верхнего ряда и поместить шары 10 с добавкой уже имеющейся фракции шаров 4, что дает более высокую степень заполнения. В данном примере использованы шары 4, поэтому в таблице 2 отсутствует число шаров 11.
Заполнение емкости 1 (фиг. 1) моногранулами 2 равно 61,6%. После заполнения пустот шарами (фиг. 4 и фиг. 13) - 81,7%, т.е. существенно выше, чем в прототипе.
3
2
Слой в емкости 1 (фиг. 3) орошают водой с температурой 0…0,5°C, а также с более высокой степенью плотности орошения от 2 до 6 дм на 1 см высоты слоя площадью 1 м, т.к. закладка шаров увеличивает удельную поверхность слоя гранул. Время образования жесткого каркаса такое же, как в прототипе, и составляет 1-3 с.
Каркас примерзает к стенкам и не всплывает при последующей заливке водой межгранульного пространства и всего слоя в целом. Заливку ведут водой с температурой +0,1-5°C. Скорость подачи воды зависит от диаметра гранул. Диаметр образующихся пузырей газа для гранул 15 мм в диаметре равен максимально 6 мм. Скорость их подъема в воде в каркасе меньше 0,4 м/с. Отсюда находят скорость подъема уровня воды.
Время замораживания слоя гранул с водой в прототипе равно 2,71 ч (фиг. 2). По предложенному способу время замораживания в емкости 1 составляет 1,87 ч при тех же температурных условиях.
Вид фракций ледовых шаров показан на фиг. 12. Фракции ледовых шаров разделяют по значению диаметра в соответствии с расчетом размера фракций. На фиг. 13 показана последовательность закладки шаров между гранулами и стенкой коробчатой формы.