Появление поверхностных дефектов после завершения кристаллизации разлитой на лёд плёнки жидкости обусловлено в первую очередь стремлением системы к выходу из состояния термодинамической нестабильности, вызванной высвобождением свободной энергии при движении фронта кристаллизации. В этом процессе для системы "выгоднее" перейти в состояние, в котором площадь контакта льда и жидкости будет меньшей. Жидкость "сворачивается", и на ледовой поверхности образуются дефекты: выпуклый рельеф, ухудшающий визуальное восприятие и по характерным размерам дестабилизирующий устойчивое скольжение конька. Таким образом, химическое воздействие на ледовую поверхность - это зона прецизионных микроконцентраций. Любое превышение концентрации чревато разрушением структуры самого массива и ухудшением условий скольжения.
Оптимальная концентрация веществ в поверхностном слое достигается различными способами. В частности, можно вводить присадки в микродозах в воду для заливки поверхностного обновляемого слоя или в несколько больших количествах при формировании серединных слоёв "ледового пирога". В последнем случае нужная концентрация на поверхности достигается по истечении определённого времени путём диффузии к поверхности молекул вводимых веществ к поверхности в твёрдом ледяном растворе.
Рис. 1.1 - Рельеф ледовой поверхности при концентрации присадок выше допустимой.
Выбор той или иной технологии определяется в первую очередь видом спорта и соответственно требованиями к механическим свойствам ледового массива. Например, для конькобежного спорта наиболее предпочтителен первый способ, так как диффузия примесей к поверхности "разрыхляет" ледяной массив, снижая его твёрдость, что в итоге приводит к ухудшению скоростных свойств льда. Для хоккея на первый план выходит увеличение прочности льда, способности противостоять агрессивным разрушающим механическим нагрузкам, минимизация сколов и трещин на поверхности. Для этого необходимо с определёнными промежутками модифицировать также структуру внутренних слоёв, снимая возникающие напряжения и придавая ледяному массиву большую пластичность.
Следует обратить внимание на то, что проблемы искажения поверхности актуальны не только в том случае, когда активные соединения вводятся направленно для снижения сопротивления скольжению. Это острая проблема и для хоккейных полей.
На Рис 1.1 показана искажённая характерным выпуклым рельефом ледовая поверхность, залитая водой с концентрацией присадок выше допустимой, а на Рис. 1.2 и Рис.1.3 видны "косички" и "оспинки", но это следствие химических выделений из материала рекламы, традиционно наносимой на лёд хоккейного поля. Так необходимый и финансово оправданный атрибут - реклама - в зависимости от состава материала может привести к таким плачевным последствиям.
Рис. 1.2 Результат воздействия химических выделений из материала рекламы, нанесённой на лёд хоккейного поля.
Изучение природы возникновения поверхностных дефектов позволило определить и экспериментально апробировать группу веществ и соединений, введение которых вместе с ускоряющими присадками способно предотвращать появление искажений ледовой поверхности. Эти вещества активно используются на предприятиях военно-промышленного комплекса для обеспечения наиболее высокой степени чистоты поверхности и минимизации коэффициента трения.
Второе требование к хоккейному льду - это прозрачность верхней части массива, позволяющая чётко видеть разметку поля и рекламные изображения, а также минимум снежной стружки, скрывающей разметочные линии и искажающей траекторию шайбы в центральной зоне поля.
Рис. 1.3-Результат воздействия химических выделений из материала рекламы, нанесённой на лёд хоккейного поля
Ещё одна достаточно актуальная и востребованная задача - это применение специальных методов воздействия на ледовое покрытие для проведения развлекательных программ, красочных шоу в рамках телевизионных трансляций. Здесь можно применять специальные добавки, изменяющие оптические свойства льда: поверхность становится более блестящей, сверкающей, возможно размещение голографических изображений, отражающих элементов и т.д.
Следует отметить, что для конькобежцев наиболее действенным способом улучшения результатов является увеличение твердости ледовой основы: при равных температуре льда и составе воды реальная глубина проникновения конька в лёд и суммарная площадь поверхности трения на твёрдом льду гораздо меньше.
Однако, при измерении твёрдости ледовой поверхности, то наиболее распространённые статические методы и приборы неприемлемы. Они основаны на внедрении (вдавливании) в течение определённого времени твёрдых тел (инденторов) в тело льда с приложением статической нагрузки (рис.1.6). Охладить инденторы, приборы и грузы и прецизионно поддерживать их температуру на уровне температуры поверхности льда в течение всего времени измерения - задача практически невыполнимая - это раз. Они проникают внутрь льда на определённую глубину, а нас интересует твёрдость поверхности - это два. Инденторы травмируют и подплавляют поверхность - это три. В статических методах воздействие механической нагрузки происходит во времени, а не мгновенно, как от конька, - это четыре.
Для решения данных задач представляется метод Шора. Он основан на измерении интервала времени между отскоками шарика от поверхности льда. Расшифровка и обработка звукового файла (рис. 1.4) позволяет определять степень рассеивания энергии во время удара, которая служит мерой твёрдости поверхности. При этом поверхность льда не травмируется.
Рис. 1.4 Расшифровка звукового файла при измерении твердости поверхности льда динамическим методом
Теперь о прочности льда: это хоккейная прерогатива. Воздействие конька хоккеиста (рис. 1.5) жёсткое и агрессивное, скорости велики, нагрузки носят ударный характер и направлены под различными углами к поверхности льда. Наличие сколов, накопление снежного крошева нежелательно. Поэтому для хоккея нами разработана иная технология заливки массива льда, основанная на введении специальных промежуточных слоёв и формирующая лёд существенно менее хрупкий, выдерживающий большие разрушающие нагрузки. Испытания образца льда, намороженного по технологии, разработанной для хоккейных ледовых покрытий, проводились в соответствии с существующим характером воздействия конька хоккеиста на лёд. Первый скол на таком образце появился на глубине 12-15 мм только после многократного ударного воздействия. Аналогичный образец, намороженный из той же воды, но без введения добавок, скалывался практически от первого воздействия идентичной силовой нагрузки и разрушался на 2-3-м ударе.
Предложенная технология предусматривает комплекс мероприятий по снятию термических напряжений в течение процесса намораживания ледового массива и введение промежуточных слоёв с композитными присадками, увеличивающими возможность пластической деформации льда без его разрушения.
Рис.1.5 Характер повреждений ледовой поверхности коньками хоккеистов
Важным показателем качества ледового покрытия является изотермичность поверхности, которая может быть обеспечена только тщательным соблюдением всех технологических операций изготовления охлаждаемой бетонной плиты ледового поля. Неоднородность бетона, недостаточная фиксация элементов трубной системы и многое другое могут создать неравномерность распределения температуры на плите и ледовой поверхности. фреоновый холодильный экономайзер теплоприток
Ещё одна актуальная ледовая задача - покрытие для кёрлинга. Разработаны специальные добавки и составы для нанесения бугорков на основную поверхность. Микродобавки этих веществ позволяют существенно увеличить срок "жизни" бугорков - не стираться до конца игрового периода.
Рис.1.6 Испытания на прочность льда, изготовленного по специальной рецептуре для хоккейных полей
В настоящее время разработан и запатентован ряд принципиально новых методов создания комбинированных ледовых покрытий, отдельные участки которых существенно отличаются по своим физико-механическим свойствам. Так, для конькобежцев - это твёрдый и предельно скользкий на прямолинейных участках и более вязкий и "упругий" на виражах во избежание падений. Для хоккея - различный по свойствам лёд в центральной зоне, на вратарской площадке и за воротами, где его надо практически армировать, так как там происходят основные столкновения и баталии между хоккеистами.
Таким образом, направленное воздействие на кристаллическую решётку льда во время формирования ледового массива таит в себе огромные, во многом ещё не использованные технические возможности. Полученные результаты уже дали до 30-35% прироста скользящих свойств льда.
Введение микродоз специальных присадок, модифицирующих молекулярную структуру поверхностного слоя льда, позволяет дополнительно снижать сопротивление трения конька, что в сочетании с первым пунктом выводов до 50-55% улучшает скользящие свойства льда.
Разработаны практические методы формирования ледовых массивов для конькобежного спорта, хоккея, фигурного катания, кёрлинга; для них созданы индивидуальные заливочные карты.
Современные требования к качеству различных ледовых покрытий, в свою очередь, обуславливают необходимость расширения возможностей систем хладоснабжения в плане регулирования температурного уровня и интенсивности теплоотвода от поверхности кристаллизации, так как это один из наиболее существенных способов влияния на кристаллическую структуру ледового массива.
В данном проекте предлагается произвести анализ системы теплоснабжения спортивного комплекса "Кемерово". В ходе анализа мы выяснили, что тепловой узел №1 не обеспечивает нужную температуру в зимний период, в помещениях спортивного комплекса. В связи с этим было принято решение произвести расчет этого узла[9].
2. Конструкторско-технологическая часть
2.1 Планировка крытых катков
Планировка крытых катков с искусственным льдом выполняется по приложению к СНиП 2.08.02-89 "Проектирование спортивных залов, помещений для физкультурно-оздоровительных занятий и катков с искусственным льдом". Сетка колонн принимается 66, м.
Крытые катки с искусственным льдом предусматривают, как правило, универсальными - для попеременного использования по хоккею и фигурному катанию на коньках. Размеры ледовое поле для хоккея и фигурного катания составляют 3060 м.
Качество ледяного покрова во многом определяется конструкцией охлаждающей батареи. При выборе ее обращают внимание на допустимую разность температуры охлаждающей среды в трубах и соответствующую разность температуры поверхности льда. Принимаемый перепад температуры охлаждающей среды в трубах ледяного поля составляет от 0,9 до 4С и обычно не зависит от конструкции трубной батареи поля.
При выборе конструкции трубной батареи учитывают сопротивление движению охлаждающей среды вдоль трубной плети, удобство расположения магистралей и распределительных коллекторов, простоту и надежность удаления воздуха из систем с промежуточным хладоносителем и д.р. Воздух, попавший в рассольную систему, удаляют из распределительных и сборных коллекторов охлаждающих батарей. Для этого в верхнюю зону коллекторов вваривают воздухоспускные трубки с вентилями или кранами диаметром 15-20 мм. Воздух удаляется также через расширительный сосуд, который служит для компенсации колебаний объема рассола в системе, или бак-аккумулятор.
В проекте приняты змеевиковые батареи.
Охлаждающие батареи собирают из пластиковых труб. Влияние диаметра труб на требуемую температуру охлаждающей среды и качество поверхности льда невелико. Если температура труб в поперечном сечении катка одинакова, то с увеличением диаметра труб температура льда становится более равномерной и повышается требуемая температура охлаждающей среды.
Диаметр труб в системах с промежуточным хладоносителем выбирают так, чтобы скорость рассола была в среднем 0,6-08 м/с, при которой воздух не выделяется из потока, а также создается сопротивление движению рассола в трубных батареях поля, способствующее его равномерному распределению по отдельным трубам.
Для равномерного распределения охлаждающей среды по трубам скорость ее движения в коллекторах должна быть значительно меньше, чем в охлаждающих трубах.
Неравномерности температуры возрастает с увеличением расстояния между трубами и падает с ростом толщины слоя льда. При увеличении расстояния между трубами снижаются капитальные затраты, но одновременно растут эксплуатационные расходы, связанные с необходимостью увеличивать толщину слоя льда.
Принята конструкция охлаждающих батарей: диаметр 30 мм, шаг между трубами 100 мм.
2.2 Конструкция искусственного ледового поля
Рис.2.1 Конструкция искусственного ледового поля: 1-лёд; 2-бетонная охлаждающая плита; 3-трубы хладоносителя; 4-опоры под трубы; 5-стяжка; 6-слой скольжения; 7-пароизоляция; 8-теплоизоляция; 9-бетонная плита; 10-трубы теплоносителя; 11-силовая бетонная плита; 12-писчанно-гравийная смесь
Бетонная охлаждающая плита толщиной 100 мм укладывается на слой скольжения, который состоит из защитных ограждений (листов рубероида, алюминиевой фольги, поливинилхлорида) и помещенного между ними слоя (1-2 мм) материала, обладающего малым коэффициентом трения: порошкообразного графита, талька графитно-масляной эмульсии, специальных синтетических мастик, стандартных графитных смазок, загустевающих при низких температурах. Под слой скольжения укладывается слой теплоизоляции толщиной 100 мм. Под слоем изоляции
располагается бетонная плита, внутри которой находится система защиты грунта от промерзания. Для облегчения перемещения бетонной плиты 9 под воздействием изменения температуры между трубами теплоносителя и естественным грунтом укладывается 0,5 м промытого песка и 0,1 м битума.
2.3 Расчет теплопритоков
В теплотехническом расчете катка определяют производительность холодильного оборудования, достаточную для поддержания льда заданной температуры в наиболее теплое время периода эксплуатации. При установившемся режиме работы холодильное оборудование должно компенсировать теплопритоки к охлаждающей плите катка[1].