СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА
METHOD OF ICE COVER DESTRUCTION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к проведению предупредительных работ для предотвращения ледяного заторообразования на участках рек и может быть использовано для разупрочнения ледяного покрова, в частности, в местах вблизи гидротехнических сооружений: плотин, дамб, мостов и т.п. Способ может быть также использован экипажами ледоколов или других судов в морях и океанах для разрушения массивов льда, исключая при этом затратный наезд на ледяной покров.
Уровень техники
Известен способ разрушения льда (SU 1242582 А1, опубликовано 07.07.1986, кл. Е02В 15/02), который осуществляют с помощью устройства для разрушения льда. Устройство устанавливают к защищаемой конструкции гидротехнического сооружения подо льдом. Сверху устройство закрывают защитным экраном, способным выдержать ударные нагрузки. Внутри корпуса устройства расположена батарея для электролиза воды, включающая секции электродов, соединенных с низковольтным источником тока. При подаче электрического напряжения на электроды происходит электролиз воды с образованием газовых пузырей кислорода и водорода. В результате подо льдом образуется полость с гремучим газом. При пропускании электрической искры в полости происходит взрыв, производящий разрушение слоя льда. Недостатками данного способа является: воздействие взрывной силы на саму защищаемую конструкцию гидротехнического сооружения; полное отсутствие мобильности и угроза целостности гидротехнического сооружения; невозможность защиты судов; неспособность устранить ледяные заторы у излучин рек, на суженных участках русла реки и устранить заторы у мостовых переходов при ледоходе.
Известен способ разрушения льда (RU 2373331 С2, опубликовано 20.11.2009, кл. Е02В 15/00), включающий подачу смеси газов, например, углеводородных соединений с окислителем или смеси гремучего газа, порциями в накопитель, установленный на нижнем слое воды акватории. Гремучий газ возможно получить непосредственно из воды путем электролиза. После накопления смеси газов в накопителе производят выпуск ее в воду путем подрыва. Вертикально восходящий аэрированный поток теплой воды на поверхности преобразуется в поверхностное течение, которое разрушает ледяной покров. К недостаткам такого способа относятся: массированное загрязнение водного бассейна не только вблизи защищаемых сооружений, но и по ходу циркумполярных течений у морских платформ и речных стоков у других гидротехнических сооружений, при использовании для подрыва в устройстве углеводородных соединений и диспергированных нефтепродуктов; узкая область применения, лимитированная глубиной акватории у защищаемого сооружения; чрезмерный расход электрической энергии в течение всего сезона отрицательных температур для получения гремучего газа электролизом, сравнимый с кипячением воды по периметру защищаемого сооружения; полное отсутствие мобильности и нулевая эффективность в нештатных ситуациях, при которых и возникает угроза целостности гидротехнического сооружения; невозможность защиты судов, а также гидротехнических сооружений в случае начала подвижки ледяных полей; неспособность устранить ледяные заторы у излучин рек, на суженных участках русла реки и устранить заторы у мостовых переходов при ледоходе.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является повышение эффективности разрушения ледяного покрова.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности разрушения ледяного покрова вблизи гидротехнических сооружений и судов без нанесения им ущерба; разрушение льда в любом месте акватории рек, озер, морей и океанов; экологичность способа разрушения льда; а также расширение арсенала средств. Кроме того, заявляемый способ достаточно прост в применении и легко осуществим в любой необходимой точке за счет компактности входящего в комплект оборудования.
Технический результат достигается тем, что способ разрушения ледяного покрова включает размещение в зоне разрушения ледяного покрова по меньшей мере одного рукава, герметичного с одного конца, выполненного из биоразлагаемого полимерного материала, снабженного средством инициирования взрыва и обратным клапаном, соединение другого конца рукава с источником гремучего газа, подачу гремучего газа в рукав с обеспечением заполнения рукава под давлением подаваемого газа, отключение от источника гремучего газа и инициирование взрыва гремучего газа, находящегося в рукаве, с последующим детонационным разрушением ледяного покрова.
Подачу гремучего газа в рукав осуществляют посредством шланга, при этом гремучий газ получают непосредственно на месте производства работ.
Рукав размещают в предварительно сделанную прорубь либо в полынью.
Рукав размещают с обеспечением его раскатывания по направлению течения реки.
Для реализации способа используют от 2 до 100 рукавов.
Взрыв гремучего газа, находящегося в рукавах, инициируют одновременно во всех рукавах.
Взрыв гремучего газа, находящегося в рукавах, инициируют последовательно по одному.
Взрыв гремучего газа, находящегося в рукавах, инициируют последовательно группами по 2-10 рукавов.
Отличительным признаком предложенного способа разрушения льда является осуществление объемного взрыва, наполненного детонирующей газовой смесью водорода и кислорода (гремучим газом) биоразлагаемого полимерного рукава, устанавливаемого в зоне разрушения ледяного покрова (на поверхности льда или подо льдом).
В отличие от известных способов подрыва льда в заявляемом изобретении за счет размещения рукава с гремучим газом обеспечивается возможность подрыва льда только в необходимых местах без нанесения повреждений окружающим сооружениям. Также обеспечивается точная направленность взрыва за счет возможности расположения рукава с гремучим газом как подо льдом, так и на его поверхности.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 показывает схему получения раздельно водорода и кислорода электролизом в отдельных емкостях;
Фиг. 2 показывает схему получения гремучего газа электролизом в емкость;
Фиг. 3 - показывает схему соединения емкостей с водородом и кислородом с биоразлагаемым полимерным рукавом;
Фиг. 4 показывает схему соединения емкости с гремучим газом с биоразлагаемым полимерным рукавом;
Фиг. 5 показывает схему взрывания рукавов, размещенных на поверхности льда, на реке вблизи моста;
Фиг. 6 показывает схему взрывания рукавов, размещенных под поверхностью льда, на реке в заранее проделанную прорубь;
Фиг. 7 показывает схему взрывания рукавов, размещенных под поверхностью льда и расположенных по течению реки в заранее проделанную прорубь (стрелкой показано направление течения реки).
Осуществление изобретения
Способ осуществляют следующим образом.
На месте производства работ по дроблению (разрушению) ледяного покрова электролизером (1) получают водород и кислород (Фиг. 1), которые раздельно закачиваются компрессорами (2, 3) в емкости (4', 4ʺ) среднего давления, изготовленными из легких композитных материалов в целях мобильности. Т.к. гремучий газ самовоспламеняется при атмосферном давлении при температуре 510°С, а в отсутствие источников зажигания (искра, открытое пламя) гремучий газ может храниться неограниченно долго, то возможно получение водорода и кислорода (гремучего газа) совместно, т.е. в одной емкости (4ʺ') (Фиг. 2). В таком случае важным является соблюдение правил техники безопасности работ при обращении с гремучим газом (отсутствие вблизи открытого огня и т.д.).
После получения гремучего газа или водорода и кислорода в емкости (4) компрессоры (2, 3) отключают и останавливают электролизер (1), а шланги (6), идущие от емкостей (4), отсоединяют от электролизера (1).
Далее в зоне разрушения ледяного покрова (на поверхности льда либо подо льдом) размещают по меньшей мере один раскатывающийся под давлением газа биоразлагаемый полимерный рукав (8).
При осуществлении разрушения ледяного покрова взрывом на поверхности льда (12) при любом состоянии водной поверхности (например, частично разрушенный ледяной покров либо сплошной ледяной покров) рукав (8) размещают в зоне разрушения ледяного покрова. Возможно установить конец рукава (8) на берегу водоема, реки, озера (см. Фиг. 5).
При надежной толщине льда взрыв возможно произвести подо льдом (Фиг. 6, 7), размещая рукав (8) под льдом (12), например, через предварительно сделанную прорубленную лунку (прорубь) (13) либо в полынью при ее наличии. В данном случае конец рукава (8) с установленным средством инициирования (10) взрыва будет находиться на льду (12) возле проруби (13). А остальная часть рукава (8), наполненная гремучим газом, будет находиться подо льдом (12) (эта часть рукава обозначена на фигурах 5-7 пунктирными линиями). В результате рукав (8) из-за находящегося внутри газа будет стремиться к всплытию и будет находиться в контакте с подводной частью льда (12), что увеличивает разрушение ледяного покрова.
В случаях большого ледообразования на реках возможен вариант, когда рукав (8) размещают с обеспечением его раскатывания по направлению течения реки (Фиг. 7).
При этом в случае необходимости для реализации разрушения ледяного покрова возможно использовать сразу несколько рукавов (8), например, в количестве от 2-х до 100 штук (конкретное количество зависит от объема рукавов, толщины льда, условий взрывания, количества людей на месте производстве работ и т.п.).
Раскатывающийся биоразлагаемый полимерный рукав (8) имеет следующие размеры: длина - от 10 м до 100 м, диаметр - от 0,1 м до 2 м, толщина - от 0,001 м до 10 мм. Рукав (8) в сложенном состоянии представляет собой смотанный гибкий герметичный трубопровод (наподобие смотанного пожарного рукава). Рукав герметичен с одного конца, тогда как на другом конце рукава (8) установлены быстросъемные зажимы (7) (например, соединительные головки либо другие соединительные элементы) и обратный клапан (9). В этом же конце рукава может быть установлено средство инициирования (10) взрыва, например нить накаливания либо средства возникновения искры - высоковольтный разрядник или пьезоэлемент. На Фиг. 5-7 средство инициирования (10) взрыва срабатывает при замыкании цепи выключателем (11). Возможен вариант, когда на конце рукава (8) установлен в качестве средства инициирования (10) взрыва огнепроводный шнур (на чертежах не показан).
3
3
Как видно, возможно использовать рукава (8) с различными объемами от 0,078 м до 314 м в зависимости от толщины льда, ширины реки, условий ледоразрушения и т.д. Важным параметром является использование биоразлагаемого полимерного материала для производства рукава (8), который впоследствии взрывается. Таким образом достигается экологичность способа разрушения льда. Биоразлагаемый полимерный материал может представлять собой полимеры на основе природных полимеров (натуральный каучук, белки, полисахариды, хитин, эпоксидированные масла, полимеры из ненасыщенных растительных масел, лигнин, поллулан и т.д.), или химически синтезированных полимеров, или микробиологических синтезированных полимеров и их смесей, или композиционных материалов на основе вышеперечисленных.
Затем конец рукава (8) с установленными зажимами (7) соединяют с источником гремучего газа - емкостью (4) (Фиг. 3 и 4) посредством шланга (6), также имеющего на конце быстросъемные зажимы (7) (например, соединительные головки либо другие соединительные элементы). Рукав (8) и шланг (6) снабжены обратными клапанами (9).
Далее посредством редукторов-переключателей (5), установленных на емкости (4) через шланг (6), подают гремучий газ в раскатывающийся биоразлагаемый полимерный рукав (8). Существует вариант подачи водорода и кислорода по отдельным шлангам (6) (Фиг. 3) в раскатывающийся биоразлагаемый полимерный рукав (8) в объемном соотношении 2:1, таким образом, гремучий газ будет образовываться непосредственно в рукаве (8).
3
3
3
3
В результате рукав (8) начнет постепенно заполняться гремучим газом и самопроизвольно раскатываться под давлением подаваемого газа. Заранее зная объем рукава (8), в него подают необходимое количество гремучего газа, избегая таким образом недокачивания или перекачивания газа в рукаве (8). Например, для рукава (8) объемом 2,94 м (рукав длиной 15 м, диаметром 0,5 м) подают водорода 1,96 м и кислорода 0,98 м, в случае подачи готового гремучего газа подают непосредственно 2,94 м гремучего газа. Обычно безошибочную подачу нужного объема газа осуществляют с помощью расходомера газа, установленного вблизи редукторов (5). После заполнения гремучим газом рукава (8) подачу газа прекращают, а шланг (6) отсоединяют и переносят на безопасное расстояние. Обратный клапан (9), установленный на конце рукава (8), не дает гремучему газу выйти наружу.
Далее работники, осуществляющие подрыв, удаляются на безопасное расстояние и производят дистанционное инициирование взрыва гремучего газа, находящегося в рукаве (8), с последующим детонационным разрушением ледяного покрова (12).
При размещении в зоне разрушения ледяного покрова нескольких рукавов (8) (2-100 штук) возможно инициировать взрыв гремучего газа, находящегося в рукавах, одновременно во всех рукавах (8) либо возможно инициировать взрыв в рукавах (8) последовательно по одному или последовательно группами по 2-10 рукавов сразу. При размещении в зоне разрушения нескольких рукавов (8) их возможно разместить вплотную друг к другу либо возможно разместить их на определенном расстоянии друг от друга (например, от 1 метра и более).
Как известно, гремучий газ способен взорваться от самого слабого источника. Взрыв гремучего газа в рукавах (8) осуществляют локальным разогревом газа выше 510°С средством инициирования (10) взрыва, например нитью накаливания, высоковольтным разрядником, пьезоэлементом или огнепроводным шнуром либо другими известными средствами подрыва гремучего газа. На Фиг. 5-7 взрыв инициируют с помощью возникновения искры на средстве инициирования (10) посредством замыкания цепи выключателем (11).
В результате взрыва ударная детонационная волна разрушает такой хрупкий материал, как лед (12), на множественные осколки. Даже отдельно плавающие куски льда разрушатся под воздействием детонационной волны.
С точки зрения термодинамики детонация гремучего газа - это сильно экзотермический процесс и в соответствии с уравнением Гиббса-Гельмгольца имеем:
ΔG=ΔΗ-TΔS,
где ΔG - изменение свободной энергии,
ΔН - изменение энтальпии,
ΔS - изменение энтропии,
и используя справочные данные, получим для нормальных условий:
ΔG=-283 кДж/моль+49 кДж/моль=-238 кДж/моль или 13200 кДж/кг (справочно: для толуола энергия Гиббса составляет 3800-4200 кДж/кг).
В случае экзотермических реакций система теряет тепло и энтальпия обозначается знаком минус, а энтропия при детонации гремучего газа возрастает (из трех молекул: - двух молекул водорода и одной кислорода образуются две молекулы воды) и обозначается знаком плюс. Реакция протекает по такой схеме: 2Н2+О2=2Н2О+ энергия. Отсюда видно, что отношение количества молекул после и до реакции соотносится как 2/3 и потому объем после реакции уменьшается на 1/3 (при взрыве других видов ВВ энтропия возрастает, т.к. образуются множество осколков распада первоначального ВВ и начальный объем не уменьшается). Кроме того, газообразные молекулы воды с большой кинетической энергией, хоть и создают после взрыва давление на лед и воду в десятки и сотни атмосфер, но в следующие мгновения они теряют свою энергию в воде и во льду из-за аномально высокой теплоемкости воды, оставаясь в толще одного с ними вида вещества, чего нельзя утверждать относительно продуктов реакции других видов ВВ, создающих высокое осмотическое давление и в воде, и в полости взрыва. Поэтому последующее разрежение в полости взрыва гремучего газа еще больше усиливается, вследствие чего раздробленное ледяное поле под действием силы тяжести и атмосферного давления обрушивается в водяную яму, образовавшуюся после взрыва. Последующие колебания воды в вертикальной плоскости на месте взрыва эффективно раздробят лед и в случае необходимости на этом же месте можно повторить подобные взрывы до достижения необходимого качества дробления (разрушения) льда.
При детонационном объемном взрыве гремучего газа на поверхности льда тело льда можно рассматривать как тонкую пластину, на которую воздействуют в нормальном направлении (перпендикулярно) сосредоточенные силы. При этом от детонационной волны лед не только прогибается вдоль линии взрыва, но и по причине бризантного (дробящего) действия детонационного взрыва еще до образования прогиба из-за появившихся трещин теряет свою монолитность и несущую способность. Вследствие этого лед не будет воздействовать на гидротехнические сооружения. Наиболее эффективен предлагаемый способ при осуществлении подледного взрыва. При подледном взрыве на месте объемного взрыва дополнительно образуется подо льдом свободная от воды полость, куда и «проваливается» лед под воздействием сил тяжести. Отхлынувшая после взрыва вода возвращается к месту взрыва и еще больше усиливает разрушение льда.
Исходя из фактических данных условий на месте взрыва (температура окружающего воздуха при взрывании льда) и состояния льда (прочности льда) подбирают объем гремучего газа (диаметр рукава и его длину). Расчеты показывают, что рукав диаметром 0,5 м и длиной 10 м разрушит массу льда толщиной до 0,5 м.
Данный способ разрушения льда позволяет разрушать ледяной покров водных поверхностей вблизи гидротехнических сооружений и судов без нанесения им ущерба, разрушать лед в любом месте акватории рек, озер, морей и океанов; расширить арсенал средств. Способ разрушения льда экологичен в применении и не наносит вред окружающей среде.