СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БОЛЬШИХ МАСС ЛЬДА НА ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PRODUCING LARGE MASSES OF ICE ON WATER SURFACE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к льдотехнике и может найти использование в гидротехническом и дорожном строительстве при возведении ледяных плотин, дамб, причалов, дорог, ледовых переправ, при создании ледяных грузонесущих платформ, островов и других ледяных сооружений, а также для заготовки пресного или опресненного льда и его бытового использования, в том числе в различных системах охлаждения.
Известен способ получения больших масс льда на поверхности воды, включающий нанесение воды на поверхность плавучего льда и ее послойное намораживание при отрицательной температуре (см., например, а.с. СССР №1684573, МПК F25C 1/00).
Недостатком известного способа является низкая производительность по намораживанию ледяного монолита, вследствие необходимости применения налива воды на поверхность плавучего льда и длительного времени ее замерзания.
Известен способ получения больших масс льда на поверхности воды, включающий разбрызгивание намораживаемой воды на поверхность льда при отрицательной температуре с образованием массива пресного льда (см. патент РФ №2178389, МПК F25C 3/04, F25C 1/02).
Недостатком данного способа является сложность его реализации, высокая энергоемкость и ограниченность применения - только для получения пресной воды.
Наиболее близким аналогом является способ получения больших масс льда на поверхности воды, который принят в качестве прототипа (см. а.с. СССР №1049615, МПК Е02В 17/00). Способ включает нанесение воды на поверхность плавучего льда, послойное намораживание на нем монолита при отрицательной температуре и отвод образующегося рассола в водоем.
Основной недостаток этого способа является сложность производства работ по намораживанию ледяного монолита, высокая энергоемкость, низкая производительность.
Сложность производства работ и высокая энергоемкость обусловлена выполнением большого количества разнообразных операций - вырезку и выделение в плавучем льду намораживаемого участка, формирование на этом участке сложных по форме многочисленных конусов, сверление шурфов-отверстий для отвода рассола под лед, нанесение воды на поверхность плавучего льда с помощью установок для полива и т.д., что существенно снижает производительность получения монолитного льда.
Кроме того, такая схема не обеспечивает надежного отведения и удаления под лед, обратно в водоем рассола, образующегося по мере вымерзания пресной составляющей морской воды, в результате чего образующийся лед имеет низкие физико-механические свойства - повышенную температуру плавления, низкую прочность и несущую способность.
Все это значительно сужает технологические возможности и снижает эффективность получения прочного по физико-механическим свойствам монолитного льда, что ограничивает применение указанного способа.
Известно устройство для получения больших масс льда на поверхности воды, содержащее емкость с осью вращения и узел нанесения воды на намораживаемую поверхность (см. заявка на изобретение РФ №2012113071, МПК E01D 15/14).
Недостатком данного устройства является сложность технологического процесса его реализации и низкая производительность.
Известно устройство для получения больших масс льда на поверхности воды, содержащее полый цилиндр и узел нанесения воды на намораживаемую поверхность, (см. патент РФ №2145047, МПК F25C 1/14)
Недостатком известного устройства является низкая производительность и высокая энергоемкость процесса получения льда.
Для осуществления этого способа известно устройство, содержащее полый цилиндрический вал с узлом нанесения воды на намораживаемую поверхность (см. патент РФ №2291360 МПК F25C 1/14, A23L 3/36).
К недостаткам этого устройства относятся - низкая эффективность работы, высокая энергоемкость и ограниченность применения - только для получения чешуйчатого льда.
Это обусловлено особенностью расположения конструктивных элементов. Только наличие скребка, производящего съем чешуйчатого льда с цилиндрического вала-барабана обеспечивает его работоспособность. При отсутствии скребка дальнейшее намораживание льда на цилиндрическом вале-барабане будет невозможно, т.к. охлаждение осуществляется изнутри вала-барабана. При этом намерзший на барабан лед вследствие худшей теплопроводности, чем у металла барабана, будет препятствовать дальнейшему намораживанию воды и этот процесс остановится. Все это делает невозможным получение массива монолитного льда с использованием известного устройства.
Съем намороженного льда скребком увеличивает трение и сопротивление вращению барабана, и следовательно энергоемкость процесса.
Расположение вала в подшипниках качения ограничивает увеличение размеров и массы вала-барабана, а следовательно и возможность увеличения производительности устройства.
Все эти факторы снижают эффективность работы этого устройства.
Полученный технический результат заключается в том, что заявленный способ и устройство для его осуществления обеспечивают высокую производительность, снижение энергозатрат и возможность создания больших монолитных масс льда, обеспечивая его широкое применение и высокую эффективность.
Технический результат достигается тем, что в способе получения больших масс льда на поверхности воды размещают цилиндрический вал в виде герметичной трубы с положительной плавучестью, заякоривают его с помощью каната к неподвижным объектам, обеспечивают вращение цилиндрического вала вокруг своей оси посредством лопастного винта, установленного на конце вала и вертлюга, используя силу воздействия течения воды, позволяющее осуществить смачивание в воде и послойное ее намораживание сначала на цилиндрический вал, а затем на образовавшуюся в результате вращения вала ледяную цилиндрическую поверхность.
Кроме того, в устройстве для осуществления этого способа цилиндрический вал выполнен в виде герметичной трубы, на наружной поверхности которой закреплена эластичная надувная оболочка, имеющая поверхность цилиндрической формы и обеспечивающая положительную плавучесть цилиндрического вала, на переднем конце которого установлен лопастной винт и вертлюг, причем цилиндрический вал соединен с канатом, прикрепленным к анкеру.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно:
Сопоставительный анализ заявляемого и известных способов и устройств показывает, что общими у них являются следующие признаки:
операции: нанесение воды на поверхность плавучего льда, послойное намораживание на нем монолита при отрицательной температуре и отвод образующегося рассола в водоем;
элементы устройства: полый цилиндрический вал с узлом нанесения воды на намораживаемую поверхность.
В заявляемом способе и устройстве имеются следующие принципиально новые признаки:
по способу - наличие новых операций, совмещение операций и изменения параметров процесса работы, а именно:
на поверхности воды размещают цилиндрический вал в виде герметичной трубы с положительной плавучестью, заякоривают его с помощью каната к неподвижным объектам, обеспечивают вращение цилиндрического вала вокруг своей оси посредством лопастного винта, установленного на конце вала и вертлюга, используя силу воздействия течения воды, позволяющее осуществить смачивание в воде и послойное ее намораживание сначала на цилиндрический вал, а затем на образовавшуюся в результате вращения вала ледяную цилиндрическую поверхность;
по устройству для осуществления способа - наличие новых элементов, взаимосвязей и функций:
цилиндрический вал выполнен в виде герметичной трубы, на наружной поверхности которой закреплена эластичная надувная оболочка, имеющая поверхность цилиндрической формы и обеспечивающая положительную плавучесть цилиндрического вала, на переднем конце которого установлен лопастной винт и вертлюг, причем цилиндрический вал соединен с канатом, прикрепленным к анкеру.
Совокупность этих новых признаков существенна, т.к. благодаря им в заявляемом способе появляются новые совмещенные операции, изменяется процесс получения льда.
В устройстве для осуществления этого способа имеются новые элементы, изменяются функции и свойства, выполняемые цилиндрическим валом с лопастным винтом в водной среде.
Новые свойства в заявляемом способе проявляются благодаря размещению на поверхности воды цилиндрического вала в виде герметичной трубы с положительной плавучестью, на переднем конце которого установлен лопастной винт. Это основано на следующих принципах.
Известно, что тела цилиндрической формы (бревна и др.) с положительной плавучестью легко и свободно вращаются в воде. И в этом им помогает симметричная форма. Массы в телах цилиндрической формы распределены относительно центра вращения равномерно, и поэтому момент силы вращающихся масс относительно его везде одинаков. И следовательно, энергетические затраты на вращение таких тел минимальны.
А выталкивающая Архимедова сила делает тела почти «невесомыми». Согласно закону Архимеда известно, что: «На всякое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной им жидкости» или в другой трактовке «Тело, погруженное в жидкость, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость». Снижение веса тела в водной среде (в результате действия силы Архимеда), значительно сокращает энергетические затраты на его вращение и существенно облегчает выполнение операции получения льда.
Между вращающимся цилиндрическим валом, особенно с ледяной поверхностью ледяной болванки и омывающей водной средой очень низкий коэффициент трения, т.е. вода выполняет функцию подшипника скольжения.
Лопастной винт приводит во вращение цилиндрический вал, используя силу течения воды.
Таким образом благодаря новым признакам и их совокупности в заявляемом способе и устройстве, проявляются в совокупности новые технические свойства: положительной плавучести вала - ледяной болванки, цилиндрической симметрии вала и получаемой массы льда в виде ледяной болванки, значительного снижения веса тела в водной среде, низкого коэффициента трения между вращающимся валом - ледяной болванкой и водной средой, вращению вала - ледяной болванки силой течения воды.
Единство этих пяти свойств и их использование в новом сочетании в заявляемом способе и устройстве образует новое качество - новый технический результат.
Выполненный анализ показывает, что заявляемые способ и устройство обладают новыми существенными признаками, а их совокупность достаточна для решения указанной технической проблемы и достижения технического результата, обеспечиваемого изобретением.
Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, на которых:
На фиг. 1 показано устройство для осуществления способа получения больших масс льда на поверхности воды - вид спереди;
На фиг. 2 - то же, вид сбоку;
На фиг. 3 - цилиндрический вал в поперечном сечении.
Способ получения больших масс льда на поверхности воды, включает нанесение воды на поверхность плавучего льда, послойное намораживание на нем монолита при отрицательной температуре и отвод образующегося рассола в водоем. На поверхности воды размещают цилиндрический вал в виде герметичной трубы с положительной плавучестью, заякоривают его с помощью каната к неподвижным объектам, обеспечивают вращение цилиндрического вала вокруг своей оси посредством лопастного винта, установленного на конце вала и вертлюга, используя силу воздействия течения воды, позволяющее осуществить смачивание в воде и послойное ее намораживание сначала на цилиндрический вал, а затем на образовавшуюся в результате вращения вала ледяную цилиндрическую поверхность.
Устройство для получения больших масс льда на поверхности воды, содержит полый цилиндрический вал 1 с узлом нанесения воды 2 на намораживаемую поверхность 3. Цилиндрический вал 1 выполнен в виде герметичной трубы 4, на наружной поверхности которой закреплена эластичная надувная оболочка 5, имеющая поверхность цилиндрической формы и обеспечивающая положительную плавучесть цилиндрического вала 1, на переднем конце которого установлен лопастной винт 6 и вертлюг 7, причем цилиндрический вал 1 соединен с канатом 8, прикрепленным к анкеру 9.
Анкер 9 крепится к неподвижным объектам 10 - дну водоема, береговой линии или к кромке плавучего льда.
Наружная эластичная надувная оболочка 5 закреплена на герметичной трубе 4 цилиндрического вала 1 посредством соединительных перемычек 11 с внутренней эластичной оболочкой 12, плотно прилегающей к герметичной трубе 4 под действием давления воздуха.
Вертлюг 7 предотвращает скручивание каната.
Для регулирования скорости вращения вала 1 в зависимости от температуры окружающего воздуха лопастной винт 6 может быть выполнен с поворотными лопастями.
Способ и устройство для получения больших масс льда на поверхности воды работают следующим образом.
Транспортом устройство доставляют к водоему, спускают на воду и любым плавучим средством транспортируют в заданную точку.
Перед спуском устройства на воду накачивают воздухом эластичную надувную оболочку 5 цилиндрического вала 1, обеспечивающую его положительную плавучесть и являющуюся основой для наращивания массива льда.
Далее, после размещения на воде цилиндрический вал 1 заякоривают с помощью каната 8 и анкера 9 к неподвижным объектам 10 - дну водоема, береговой линии или к кромке плавучего льда.
При заякоривании плавучего цилиндрического вала 1 происходит его ориентация по направлению речных или океанических течений, что также уменьшает воздействие давления воды на конструкцию вала.
Лопастной винт 6 под воздействием на него давления воды речных или океанических течений приводит во вращение плавучий цилиндрический вал 1 вокруг своей оси.
Во время вращения цилиндрического вала 1 в водной среде происходит смачивание водой и послойное намораживание льда на открытом воздухе при низких отрицательных температурах сначала на цилиндрическую надувную эластичную оболочку 5, а затем на образовавшуюся в результате вращения вала ледяную цилиндрическую поверхность 3.
В результате послойного намораживания воды образуется массив льда в виде ледяной болванки 13 цилиндрической формы.
При вращения ледяной болванки 13 в воде происходит постоянный контакт верхней части цилиндрической поверхности с окружающим морозным воздухом, в результате чего ледяной массив постоянно охлаждается, чему способствует еще и то, что коэффициент теплопроводности льда - 2,5 Вт/(м град) в 4,5 раза выше теплопроводности воды - 0,56 Вт/(м град), и поэтому вращающаяся ледяная болванка 13 имеет температуру ниже температуры воды, что также способствует ускоренному ее наращиванию.
Кроме того, при вращении цилиндрического вала 1 и тонкослойном намораживании на открытом морозном воздухе морской воды на цилиндрическую поверхность 3 ледяной болванки 13 происходит кристаллизация воды с вытеснением примесей по порам, закрывающейся кристаллической решетки льда и, образовавшийся рассол естественным образом легко отделяется и скатывается с наклонной к горизонту части цилиндрической поверхности 3 обратно в воду. Образуется структура кристаллов льда пресного или опресненного ледяного монолита, обладающая улучшенными физико-механическими свойствами, в т.ч. повышенной прочностью, более низкой температурой плавления и меньшим удельным весом, что также увеличивает его плавучесть.
После завершения рабочего цикла по наращиванию необходимых размеров и массы ледяного монолита, выкачивают воздух из объема под эластичной надувной оболочкой 5 цилиндрического вала 1, в результате чего диаметр вала 1 существенно уменьшается и поверхность эластичной оболочки 5 отрывается от образованной внутренней цилиндрической части ледяной болванки 13. Ледяную болванку 13 свободно отделяют от вала 1 движением назад от лопастного винта 6 и выводят из устройства за пределы вала 1. Далее, цикл повторяют.
Готовую ледяную болванку 13, отделенную от устройства транспортируют с помощью буксировки судном в нужное место. Если получение массива ледяной болванки 13 производить выше по течению от места его использования, то тогда течением она самостоятельно приплывет к нужному месту, и в таком случае не требуется ее буксировка.
Предложенная конструкция устройства цилиндрического вала 1 с надувной эластичной оболочкой 5, с возможностью отделения и съема с себя готовой ледяной болванки 13 обеспечивает возможность ее многократного использования.
Технический результат заключается в том, что заявленный способ и устройство для его осуществления обеспечивают высокую производительность, снижение энергозатрат и возможность создания больших монолитных масс пресного или опресненного льда в виде ледяных болванок цилиндрической формы с более высокими физико-механическими качественными характеристиками - более низкой температурой плавления, меньшим удельным весом и повышенной плавучестью, большой теплоемкостью (запасом холода), что существенно расширяет возможности широкого применения способа и устройства для различных целей и повышает их эффективность, например, могут быть эффективно использованы как летние бытовые холодильники, а также для получения опресненной и пресной и воды.
Благодаря простоте конструкции устройства с минимальным количеством конструктивных элементов, обеспечивается его высокая надежность, особенно в холодных арктических регионах, а многократное его применение значительно повышает эффективность его использования.
Использование силы воздействия речных и океанических течений для привода устройства - полностью устраняет энергозатраты на производство монолитного ледяного массива.
Таким образом, заявленный способ и устройство существенно повышают эффективность их применения.