Суббота, 17.04.2021, 08:41
Icemaker
Каталог статей
Категории раздела
Особенности ледоварения ведущих арен мира [3]
технологии ледоварения
Наш опрос
Оцените мой сайт
Всего ответов: 23
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru каталог интернет-сайтов
реклама
Главная » Статьи » Наука о льде » Особенности ледоварения ведущих арен мира

Скоростной лед Крылатского

Скоростной лед Крылатского. Свой путь создания ледовых технологий

« Назад

05.08.2013 09:32
Скоростной лед Крылатского. Свой путь создания ледовых технологий

Менее чем за два года своего существования крытый конькобежный центр (ККЦ) в Крылатском прочно обосновался в немногочисленном ряду лидирующих конькобежных центров Европы и Америки, традиционно принимающих у себя важнейшие международные соревнования и этапы Кубка мира. После первых же стартов - юношеского чемпионата Европы и чемпионата мира по многоборью 2005 г. - и сам комплекс, и инженерные службы, и скоростные качества льда получили высочайшую оценку спортсменов, тренеров и Международного союза конькобежцев (ISU). Что это? Чудо или концентрация нужных сил в нужное время и в нужном месте? Скоростной лед беговых дорожек сродни айсбергу: видимая, глянцевая его часть составляет не более 10 % , а скрытые от взгляда 90 % - технология и наполнение - и есть предмет научной разработки и кропотливого ее воплощения. К моменту строительства первого в России крытого катка в Крылатском все зарубежные центры уже имели 15 - летний задел и солидный список успешных научных исследований и практических результатов в области технологий намораживания и поддержания состояния скоростного льда для конькобежцев. Тем не менее руководством катка было принято важное и ответственное решение - не идти на поклон к Западу, а разработать собственную научную модель скоростного льда и на ее основе выполнить ледовое покрытие стадиона к чемпионату мира 2005 г. Основным этапам этой разработки и оценке результатов первых двух сезонов эксплуатации катка посвящена данная статья.


 

История вопроса такова: из-за сжатых сроков на возведение объекта первый лед, намороженный в Крылатском по технологии компании "ЮИТ Элмек" (Финляндия), по структуре был не конькобежным, а скорее, тестовым, т.е. подтверждающим работоспособность холодильной системы и завершенность ее монтажа. Этот пробный лед в разрезе был полосатым с чередованием прозрачных и мутных газонаполненных слоев.

Перед руководством катка встала двуединая задача создания серьезнойнаучной группы для разработки собственных технологий направленного воздействия на физико-механические параметры льда и скорейшего запуска и координации работы всех инженерных систем спортивного комплекса, что является единственной возможностью практической реализации научной модели ледового массива.

При этом наморозить лед с особыми физико-механическими свойствами, заложенными на молекулярно-кристаллическом уровне, предстояло не на блюдечке или в пробирке, а на площади без малого в 12 000 м2! И не дать ему "поплыть" от горячего дыхания трибун и света софитов во время соревнований и телетрансляций.

Первым этапом создания скоростного льда (рис. 1) стало накопление и ассимиляция всех имеющихся к этому моменту знаний и мирового опыта в области снижения фрикционного взаимодействия конька со льдом. Это в первую очередь фундаментальные научные труды многих ведущих отечественных и зарубежных ученых в области физики льда и термодинамики твердых растворов и смесей: С.С. Григоряна, В.М. Бродянского, К. Цусима, Ф.Р. Боудена, Д. Табора, А.В. Шавлова и др.; материалы ISU, открытые отчеты ведущих мировых конькобежных центров, а также диссертации наших ведущих спортсменов, в частности работа известного фигуриста Андрея Миненкова.

На втором этапе разработки собственной концепции скоростного льдабыла создана физическая модель формирования ледового массива и выработаны общие принципы удаления собственных и примесных ориентационных дефектов кристаллической решетки. На этом этапе ледовой службе ККЦ и научной группе "ГП Холодильно-инженерный центр" предстояло общие принципы структурирования ледового массива воплотить в практическую технологию. Различия величин объемного расширения и плотностей бетона, воды и льда, способствующие образованию трещин и необходимости их "залечивания"; реальное ограничение во времени, не позволяющее вести процесс в условиях, близких к равновесным, а также многое другое привели к тому, что действительная технологическая карта намораживания ледового массива существенно отличалась от предварительно намеченной. Новый ледовый массив приобрел свойства, максимально приближенные к монольду: был предельно прозрачен, не имел газообразных включений и обладал существенно большей твердостью, чем лед, намороженный по финской технологии. Измерения твердости проводились без разрушения исследуемой поверхности динамическим методом, значительно более корректным для льда, чем статические методы, предусматривающие внедрение инденторов.

Высокая оптическая прозрачность даже рассматривалась как недостаток льда, так как отчетливо были видны оттенки и "морозные узоры" от "дыхания" бетонной плиты, неминуемые в первый год ее эксплуатации и ухудшающие телевизионную картинку. Однако нам удалось убедить руководство конькобежной федерации не жертвовать уникальным качеством полученного монолита в угоду эстетике телетрансляции, и результат не заставил себя ждать. Уже на юниорском Европейском первенстве в декабре 2004 г. в 133 забегах было установлено 99 личных рекордов (74%)! И это в самом начале сезона, когда спортсмены еще "под нагрузкой" и большая часть их - голландцы, выступавшие на лучших катках мира.

Третьим этапом работы был поиск веществ, направленно воздействующих на скользящие свойства льда, и отработка методики их внесения в условиях соревновательного периода. В круг наших исследований входили в основном неорганические вещества и соединения, а также отдельные группы поверхностноактивных веществ (см. "XT" N5 и N6/2005). Для экспериментов был создан прибор - "железный спортсмен", или скользиметр, моделирующий скольжение конькобежца, длина пробега которого после передачи ударного импульса постоянной величины характеризует суммарную величину сопротивления движению или скользкость льда. В конструкции прибора были использованы реальные современные беговые коньки профессиональной заточки, а удельная нагрузка на лезвие соответствовала давлению на лед среднестатистического конькобежца. Использование разработанных на тот период присадок позволило в среднем на 20-25% увеличить пробег скользиметра по отношению к пробегу без присадок. Эти результаты были использованы уже на первых международных соревнованиях 2004-2005 гг.

Количество личных, национальных и даже мировых (среди юниоров) рекордов было впечатляющим. Далее предстояло дать ответ на ряд важных вопросов:

  • Какова длительность достигаемого эффекта?
  • Каков оптимальный диапазон концентраций вводимых веществ?
  • Все ли спортсмены попадают в зону действия "ускоряющего эффекта", или он носит кратковременный характер и может быть использован для создания исключительных условий отдельным спортсменам?

 ht7-06_1

Рисунок 1 - Основные этапы разработки скоростного льда для конькобежцев

Систематизация и научный анализ полученных экспериментальных данных показали, что скользящие свойства льда существенно непостоянны в течение одного заливочного периода и носят выраженный экстремальный характер. Основные закономерности изменения свойств льда качественно представлены в виде кривой скольжения (зависимости длины пробега скользиметра от времени после заливки льда) на рис. 2. В рамках одной статьи не представляется возможным дать физическую трактовку характерных зон на кривой скольжения, однако и теория "трения плавления", и теория "квазижидкого слоя" дают объяснение наличию и экстремума, и зоны "плато" (т.е. зоны стабильно сохраняющихся величин длины пробега скользиметра). Очевидно, что равные условия для всех спортсменов могут быть созданы только в зоне "плато", при условии поддержания необходимых параметров воздушной среды. Они могут считаться условно постоянными.

К теплофизическим и режимным параметрам, которые оказывают влияние на характер и расположение характерных зон кривой скольжения, относятся в первую очередь:

  • температура заливаемой воды tв;
  • толщина пленки заливаемой воды ;
  • скорость кристаллизации, обусловленная режимом работы холодильной установки;
  • параметры воздушной среды в непосредственной близости от поверхности льда.

Увеличение температуры заливаемой воды приводит к более позднему наступлению максимума скользящих свойств льда и росту его абсолютного значения (рис. 2, а). Увеличение толщины пленки заливаемой воды также вызывает смещение зоны наилучшего скольжения вправо по оси времени и возрастание его абсолютного значения (рис. 2, б). Наиболее существенно, что изменение tв приводит к изменению расположения зоны "плато", т.е. ход процесса кристаллизации (темп, глубина подплавления, время окончательного застывания и.т.д.) влияет на скоростные свойства льда и после замерзания пленки. Таким образом, максимум скользящих свойств может быть сознательно смещен ко времени проведения того или иного забега, а уровень "плато" - стать выше или ниже, чем в предыдущей заливке. В ходе работы во всем диапазоне допустимых температур воды и толщин пленки было рассчитано и экспериментально установлено время стабилизации скользящих свойств льда tст, после наступления которого условия скольжения для всех спортсменов можно считать практически идентичными.

В предолимпийском сезоне нами была проведена серия экспериментов по созданию оригинальных методик контроля процесса заливки льда в промежутках между забегами. Результаты этих исследований были представлены Совету ISU первым членом данного Совета Г.М. Пановым, который после презентации сказал: "Прежде всего, я должен сообщить вам, что Международный союз конькобежцев (ISU) и вся мировая конькобежная элита очень высоко оценили качество льда на ККЦ "Крылатское" во время проведения чемпионата мира 2005 г. После моего доклада и презентации члены Совета единодушно высказали благодарность ККЦ "Крылатское" и "ГП Холодильный инженерный центр" и за высочайшее качество льда, и за трудоемкие, сложные научные исследования, которые были проведены впервые.

ht7-06_2 
Рисунок 2 - Кривая скольжения:

а - влияние температуры заливаемой воды tв на вид кривой скольжения: 
I - зона максимума скользящих свойств; 
II - зона снижения скользкости; 
III - зона "плато" - стабильное скольжение; 
б - влияние толщины пленки заливаемой воды на вид кривой скольжения; 
tст - время стабилизации скользящих свойств льда для толщины пленки .

Президент ISU г-н Оттавио Чинкванта высоко оценил вклад россиян в это важное дело и поблагодарил за то, что теперь ISU знает, как и что нужно контролировать в период соревнований, чтобы исключить любые манипуляции с подготовкой льда, связанные с возможным созданием наилучших условий скольжения для одной группы спортсменов и менее хороших - для других. Президент ISU поручил мне осуществлять специальный контроль за подготовкой льда во время зимних Олимпийских игр в Турине, что и было сделано на основе предоставленных мне рекомендаций".

Второй сезон (2005-2006 гг.) был посвящен изучению на молекулярном уровне механизма воздействия вводимых присадок и разработке нового класса присадок "второго поколения" на базе органических соединений. Введение их в процессе кристаллизации водяной пленки создает модифицированный поверхностный слой, длина пробега прибора по которому на 50-70% превышает длину пробега по штатному обратноосмотическому льду. Характерными особенностями кривых скольжения при применении нового класса присадок являются значительно более широкая и пологая зона максимума скользящих свойств и высокое стабильное "плато", определяющее рабочий временной интервал для проведения соревнований.

В течение этого сезона научная группа "ГП ХИЦ" и ледовая служба ККЦ проводили экспериментальные исследования по определению состава "коктейлей" и оптимальных концентраций вводимых ингредиентов. Анализ физической природы снижения трения при введении определенных классов веществ позволил выделить комплекс теплофизических и химических свойств, которые определяют возможность их применения и комбинирования. Гидрофильность и гидрофобность, смачиваемость и поверхностное натяжение, ограниченная или полная растворимость в воде, поверхностная активность и инактивность, энергия возникающих водородных связей - вот далеко не полный перечень свойств, положенных в основу отбора для создания композитов присадок.

На рис. 3 представлены кривые скольжения, полученные на штатном льду и на льду с композитами. В качестве базовой для сравнения принята кривая скольжения на штатном льду, залитом обратноосмотической водой. Вторая кривая скольжения относится к составу на базе неорганических соединений, использованному в феврале 2005 г., третья - к наиболее эффективному композиту "второго поколения" на базе органических веществ и нивелирующих добавок, разработанному к олимпийскому сезону 2006 г. При этом введение органических присадок осуществлялось в микроконцентрациях, не превышающих значений 0,5-1 ppm, т.е. одной миллионной в массовых долях. Экологическая безопасность этого ряда присадок не вызывает никаких опасений, так как часть из них используется при приготовлении лекарственных средств (включая детские), а некоторые при определенных показаниях даже вводятся в организм человека.

ht7-06_3
Рисунок 3 - Кривые скольжения:

1 - базовая (обратноосмотическая вода);
2 - композиты на основе неорганических соединений;
3 - композиты на основе органических веществ и добавок, предотвращающие появление дефектов ледовой поверхности

К настоящему времени на эти новые способы воздействия и целенаправленной генерации свойств ледовой поверхности сотрудниками комплекса "Крылатское" и "ГП ХИЦ" уже поданы три совместные заявки на изобретение, прошедшие стадию экспертизы по существу.

К сожалению, введение наиболее эффективных и "скоростных" добавок и присадок при определенных концентрациях сопровождается появлением микронеровностей - дефектов ледовой поверхности в виде свернутых продольных "косичек" или регулярного разветвленного рельефа (рис. 4, а). Незначительная потеря привычной гладкости ледового покрытия объективно не ухудшает условия скольжения и реальные результаты спортсменов, однако вызывает у них психологическое неприятие, вибрацию лезвия конька и соответственно резонные претензии тренеров и организаторов соревнований. Изучение физической природы этого явления позволило найти так называемые вещества - "противоядия", параллельное введение которых нивелирует неровности поверхностного слоя, сохраняя при этом его высокие скоростные свойства (рис. 4, б). Естественно, что эта работа велась при участи и консультационной помощи ведущих российских химических и аналитических центров, имеющих самую современную лабораторную и методическую базу. Особо хотелось бы отметить Московский энергетический институт и лично С.И. Нефедкина, Институт прикладной механики МГУ - С.С. Григоряна, Г.П. Гукова, Испытательную лабораторию "Экозонд" - А.А. Иванова, а также известных специалистов в области теплового неразрушающего контроля М.И. Щербакова (фирма "Иртис") и Е.В. Абрамову ("Технологический институт "ВЕМО").

Рис 4а Рис 4б

Рисунок 4 - Внешний вид ледовой поверхности:

а - без нивелирующего вещества; 
б - с добавлением нивелирующего вещества

Таким образом, к завершению сезона 2005-2006 гг. научной группой "ГП ХИЦ" и Техническими службами ККЦ "Крылатское":

  • разработаны и экспериментально проверены "рецептура" и технология введения серии композитных присадок на основе экологически безопасных органических соединений, приводящих к значительному (до 50-70%) увеличению длины пробега скользиметра по отношению к пробегу на штатном льду, залитом обратноосмотической водой;
  • экспериментальным путем установлен допустимый диапазон микроконцентраций вводимых ингредиентов, соответствующий максимуму скользящих свойств поверхности и не приводящий к нежелательному ухудшению качества поверхности;
  • определен и апробирован состав компонентов, нивелирующих поверхностные аномалии на границе кристаллизации без снижения скоростных свойств льда.

В заключение хочется добавить, что по итогам наших работ на Конгрессе Международного союза конькобежцев в Будапеште в июне 2006 г. принято решение об изменении Правил проведения международных соревнований по конькобежному спорту. В частности, новой редакцией Правил предусмотренобязательный контроль со стороны ISU всех теплофизических и режимных параметров процесса заливки льда между забегами. Ставится также вопрос об исключении возможности избирательного использования химических присадок в интересах отдельных спортсменов и команд. Однако это, по-видимому, дело достаточно далекого будущего, так как в настоящее время обнаружить постследовые концентрации органических присадок (а именно в таких дозах они и вводятся), не зная, ЧТО КОНКРЕТНО нужно искать в заливаемой воде или ледовой стружке, вряд ли под силу даже самым оснащенным научно-исследовательским лабораториям.

Научно-техническая фирма "ГП Холодильно-инженерный центр" - проектирование систем холодоснабжения спортивных, промышленных объектов и разработка способов получения искусственного ледового покрытия с заданными физическими свойствами.

Категория: Особенности ледоварения ведущих арен мира | Добавил: deft (21.04.2015)
Просмотров: 330 | Рейтинг: 5.0/1
Всего комментариев: 0
avatar
Вход на сайт
Поиск
Друзья сайта
  • Официальный блог
  • Сообщество uCoz
  • FAQ по системе
  • Инструкции для uCoz

  • Copyright MyCorp © 2021Бесплатный конструктор сайтов - uCoz