СПОСОБ ПОДДЕРЖАНИЯ КАНАЛОВ В ЛЕДЯНЫХ ПОКРОВАХ
METHOD FOR MAINTENANCE OF CHANNELS IN ICE CHANNELS

Изобретение относится к ледокольному судостроению и, в частности, к наледным ледокольным работам.
Известные способы разрушения ледяного покрова не получили развития из-за большого несоответствия располагаемой на борту ледоколов энергии и требуемых для разрушения льда энергозатрат.
Известен способ по патенту РФ №2326785, по которому с ледокола под лед заводят аппарат, развивающий архимедову силу до 100 т. Этой силой, приложенной к острому ребру, разрушают лед и продвигают аппарат дальше.
Известен способ по патенту РФ №2122505, по которому на носовой приставке ледокола устанавливают резцы, прорезающие лед перед его взламыванием корпусом ледокола.
Известен также способ по патенту РФ №2213675, по которому через носовую приставку судна на лед подают струи воды, пароводяной смеси или пара.
Известен способ по патенту РФ №2085432, по которому для всплытия подводной лодки из-подо льда к нему подводят штанги и подают теплую воду. Вода протапливает прорези по всему периметру лодки, и корпусом лодки взламывают лед и выводят лодку в надводное положение.
Известен также способ №2124454, по которому для всплытия подводной лодки выдвигают штанги с электродами и подают электропитание. В толще льда растопляют щели и, убрав электроды, взламывают лед корпусом лодки.
Известен способ разрушения ледяного покрова по патенту РФ №2314963. По этому способу под лед закачивают воздух, вызывающий обрушение льда.
Кроме бортового ледокольного оборудования известны способы применения наледного оборудования для разрушения льда. Так, известны способы подрыва взрывчаткой ледяного покрова рек.
Известен способ разрушения льда по авторскому свидетельству №1548978, по которому лед на пути ледокола взрывают.
Известен способ по патенту РФ №2197405, по которому на поверхности льда устанавливают устройство для разрушения льда.
Известен также способ по патенту РФ №2197406, по которому на поверхности льда закрепляют ткань и через полученную полость закачивают под лед воздух от берегового компрессора до обрушения льда.
Последний способ принят за прототип предлагаемого изобретения.
Приведенный способ не может быть применен для поддержания судоходности канала из-за большой сложности и низкой эффективности предлагаемых работ. Недостатками приведенного способа являются также ограниченность применения и однократный цикл предлагаемых работ.
Целями предлагаемого изобретения являются упрощение технологии и повышение экономической эффективности работ по поддержанию судоходности ледовых каналов, а также увеличение размеров и кратности применения предложенного способа. Так, в условиях севера после образования канала он снова закрывается льдом, а ослабление льда в масштабах канала невозможно без источника энергии.
Поэтому по предлагаемому способу после создания канала для его поддержания на приканальном ледовом поле проводят наледные работы по его ослаблению и восстанавливают канал путем прохода ледокола с использованием ослабления ледового поля.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что при проведении наледных работ на краях канала попарно закрепляют разделенные друг от друга теплопроводные и теплоизолированные с внешней стороны пластины высотой по толщине льда, с контактами для подвода тока, а при прохождении ледокола с выдвинутыми вперед на штангах шинами по контактам пропускают попарно через пластины ток от бортового источника, нагревают пластины до образования прорезей во льду и корпусом ледокола взламывают ослабленный прорезями лед.
Предлагаемое изобретение основано на благоприятном сочетании теплофизических свойств металлов и льда. Так, алюминий имеет высокую теплопроводность и низкую теплоемкость, а лед имеет низкую теплопроводность. Поэтому при пропускании тока через алюминиевую пластину она быстро нагревается до плюсовых температур, а примороженный к пластине лед плавится в тонком слое, контактном с пластиной. При этом их связь разрывается и льдину на длине пластин взламывают корпусом ледокола. Для уменьшения расхода энергии внешние стороны пластин теплоизолируют, и они при нагреве не теряют связи с внешним краем канала. Высота пластин определяется толщиной льда, нарастающего после образования канала. Поэтому нижний край пластин закрепляется за край канала, а верхний край пластин устанавливается выше поверхности ледового поля и несет на заданной высоте от уровня воды электрические контакты. Длина пластин рассчитывается по величине разрушающего момента сил, развиваемого корпусом ледокола, с учетом ожидаемой толщины разрушаемой льдины. При закреплении пластин между ними сохраняют электроизолирующие разрывы, не влияющие на работу ледокола.
Пластины устанавливают и закрепляют после образования канала, и канал сохраняется благодаря нарастанию в нем нового льда. В случае возможного перемещения краев канала при установке пластин следует ускорить замораживание канала закачкой в него охлажденной воды. Перед таянием льда на ледовом поле пластины отделяют ото льда и сохраняют до следующей зимы.
При подготовке судна ледового класса на нем устанавливают две штанги, выдвинутые вперед от носового наезда на льдину на длину пластины и несущие по всей длине токоподводящие шины. На борту судна устанавливают блок автономного электропитания шин. При движении судна шины замыкают контакты расположенных перед судном пластин, и к моменту наезда корпуса судна на льдину она оказывается подрезанной по всей поверхности пластин. Льдину взламывают судном, она оседает в воду и подминается под днище судна.
Техническим результатом изобретения является высокая экономическая эффективность предложенного решения и его воплощения. На отделение льда от пластин затрачивается небольшое количество энергии, во много раз меньшее, чем при создании канала. Поскольку энергозатраты на проводку судов по ледовому каналу невелики, стоимость доставки грузов будет незначительно превышать стоимость обычной доставки. Кроме того, разрушение льда происходит во много раз быстрее, чем при создании канала. Поэтому коммерческая скорость судна может быть высокой, что также определяет стоимость фрахта. С другой стороны, простота конструкции пластин и технологии их монтажа обеспечивает реальность капиталовложений на поддержание канала. Наконец, благодаря ничтожности ремонтных работ и многократности применения способа окупаемость капитальных затрат будет высокой и определяющей выгодность проекта. Следует отметить, что при увеличении пропуска судов по каналу благодаря уменьшению нарастания льда энергозатраты судна сокращаются, а скорость хода возрастает до коммерческой.
Сущность предложенного способа поясняется на примерах.
Пример 1. Канал, проложенный по льду северной реки, имеет ширину 12 м, толщину льда 1,5 м и протяженность 100 км. На канале устанавливают алюминиевые пластины длиной 20 м, высотой 1,5 м, толщиной 4 мм и весом 325 кг. Общий вес пластин составляет 3250 т. При прохождении судном полностью замерзшего канала при температуре -20°C для нагрева двух пластин от -10°C до +5°C потребуется 8600 кДж энергии, что при мощности источника тока 2,5 МВт займет 3,5 сек. За это время корпус судна подойдет и взломает подрезанную льдину, а контакты следующих пластин замкнутся на выдвинутые шины. Скорость хода судна составляет более 11 узлов. Общие затраты энергии на проводку судна во льдах составят 120 тыс. кВт·ч. При неполном замораживании канала скорость движения судна повышают до коммерческой, 20 узлов и более, а общая стоимость проводки судна соответственно падает.
Пример 2. Канал, проложенный по льду моря, имеет ширину 25 м, толщину льда 3,0 м и протяженность 100 км. На канале устанавливают алюминиевые пластины длиной 25 м, высотой 3,0 м, толщиной 5 мм и весом 1,0 т. Общий вес пластин составляет 8000 т. При прохождении судном полностью замерзшего канала при температуре -20°C для нагрева двух пластин от -10°C до +5°C потребуется 26500 кДж энергии, что при мощности источника тока 6,0 МВт займет 4,4 сек. За это время корпус судна подойдет и взломает подрезанную льдину. Скорость хода судна составляет более 11 узлов. Общие затраты энергии на проводку судна во льдах составят 300 тыс. кВт·ч. При неполном замораживании канала скорость движения судна повышают до коммерческой, 20 узлов и более.
Пример 3. Канал, проложенный по целинному льду океана, имеет ширину 30 м, толщину льда 6,0 м и протяженность 100 км. На канале устанавливают алюминиевые пластины длиной 25 м, высотой 6 м, толщиной 5 мм и весом 2 т. Общий вес пластин составляет 16 тыс. т. При прохождении судном полностью замерзшего канала при температуре -20°C для нагрева двух пластин от -10°C до +5°C потребуется 53000 кДж энергии, что при мощности источника тока 10 МВт займет 5,3 сек. За это время корпус судна подойдет и взломает подрезанную льдину. Скорость хода судна составляет более 9 узлов. Общие затраты энергии на проводку судна во льдах составят 600 тыс. кВт·ч. При неполном замораживании канала скорость движения судна повышают до коммерческой.
Предложенный способ поддержания и прохождения ледовых каналов имеет широкую область гражданского и оборонного применения.
Так, все замерзающие зимой реки страны могут стать судоходными в течение всего года. Арктические районы могут стать доступными для северного флота. Прокладка и поддержание канала по трассе Северного морского пути намного сократит время и стоимость перехода между Атлантическим и Тихим океанами. Предстоящие разработки арктических шельфовых месторождений будут обеспечены доставкой оборудования и продукции. Расширяется география рыбных промыслов. Проектируемые арктические плавучие АЭС получат надежную связь с материком.
С другой стороны, наши надводные и подводные флота будут иметь надежные базы снабжения и маршруты движения в различных районах холодных океанов. Прокладка каналов по ледовым полям позволяет также создавать и поддерживать авиабазы и аэродромы в северных районах, сложных и опасных для полетов.