АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА ПРОЦЕСС ЗАМЕРЗАНИЯ ВОДЫ ПРИ ЕЕ РАСПЫЛЕНИИ

Аннотация. Постановка проблемы вызвана тем, что на данный момент идет активное освоение арктического пространства и поиском новых методов разведки и защиты сооружений от влияния льда. В связи с чем, данный доклад посвящен способу защиты сооружений ото льда, а так же изучению факторов, влияющих на возведение данной конструкции.

Введение

Разработка нефтегазовых месторождений на арктическом шельфе и в условии ледовых морей является основным вектором развития современной нефтегазовой отрасли. Для разведки, а так же защиты добывающих платформ от воздействия дрейфующего льда зачастую применяются искусственные ледовые острова. Существуют различные методы создания подобных искусственных конструкций. Моя работа, посвященная изучению влияния внешних факторов на процесс замерзания воды в процессе применения данного метода.

Целью работы является анализ влияния внешних факторов на процесс замерзания воды при ее распылении. В соответствии с целью я решал такие задачи как: изучение метода дождевания ледового острова, выявление факторов влияющих на процесс замерзания воды, а так же анализ экспериментальных данных.

Метод дождевания и особенности его применения

Рассмотрим метод дождевания рисунок 1. Данный метод льдообразования искусственных фирново-ледяных массивов был разработан в Институте географии АН СССР в конце 1970-х годов. Принцип этого метода заключается в том, что, зимой струю воды под давлением разбрызгивают в морозную погоду [1].

Рисунок 1. Метод дождевания

В результате на намораживаемой поверхности формируется слой водно-ледяной смеси, состоящий из ледяных зерен рисунок 2 (искусственный фирн), образовавшихся из осколков ледяных скорлупок капель в результате процессов массопереноса (фирнизации). Капли воды при падении замерзают не полностью и количество незамерзшей воды в капле составляет около 45 % [2].

Рисунок 2. Искусственный фирн

Физико-механические свойства замороженного льда.

При использовании льда и снега в хозяйственной деятельности необходимо знать их свойства. Основные свойства включают в себя: плотность и пористость; термодинамические характеристики; эластичные, пластические, реологические свойства; механические характеристики; адгезия к инородным телам; оптические и электрические свойства. Механические свойства льда имеют большое значение при использовании его в качестве взлетно-посадочной полосы, зимней дороги, базы для конструкций и технологического оборудования. Основные свойства, которые требуют определенного контроля, в первую очередь включают в себя:

а) прочность на разрыв;

б) плотность и пористость льда;

в) соленость льда.

Прочность на разрыв

Одной из важнейших характеристик льда является его прочность на разрыв. Прочность материалов на разрыв характеризуется прочностью на изгиб - напряжением, при котором образец разрушается при изгибе. Важность этой характеристики объясняется тем, что во многих практических случаях лед испытывает изгибающие деформации.

Природный и искусственный лед из морской воды или рассола с солями, осажденными при криоскопических температурах, сильнее, а рассол, не замороженный в капиллярах, слабее свежего льда. Прочность льда, помимо других факторов, также связана с его плотностью, определяемой, в частности, содержанием солей и воздуха.

Плотность и пористость льда

Пористость льда - это объем газовых полостей, выраженный в процентах относительно объема всей породы. Натуральный лед всегда содержит поры, заполненные воздухом, газом и водяным паром. Существуют взаимосвязанные поры (открытые) и закрытые воздушные включения (пузырьки). Пористость льда и снега образуется при образовании льда и снега. Этот процесс называется первичным или сингенетическим. Со временем пористость может претерпеть значительные изменения. Этот процесс называется вторичным или эпигенетическим.

Соленость льда

Соленость льда является основным параметром, определяющим многие его свойства, влияющие на многие физические свойства морского льда, включая пористость и плотность, а именно соленость. В настоящее время закономерности формирования солености льда достаточно хорошо изучены. Соленость морского льда - это общая масса основных ионов хлора, брома, фтора и т. д., Содержащихся в морской воде, содержащейся в 1 кг талой воды. Соленость льда, как и соленость воды, измеряется в ppm ‰ или г/кг.

Экспериментальные данные

Основной параметром, влияющим на процесс замерзания воды, является температура воздуха. Оптимальной температурой для льдообразования является температура атмосферного воздуха ниже −5 °С. При более высоких температурах льдообразование происходит в основном на намораживаемой поверхности с образованием ледяной шуги из-за переохлаждения капель воды в воздухе. Кроме того на скорость льдообразования влияет шуга. Шуга (ледяная каша) — смесь ледяных кристаллов и кусков льда с водой в виде кашеобразной массы. Ее количественное содержание в разбрызганной водно-ледяной смеси влияет на скорость полного замерзания самой смеси. На основе экспериментальных данных была выведена следующая зависимость, формула 1, для расчёта доли льда p, образующегося при факельном льдообразовании с дождевальной установкой ДДН-70, имеющей насадку d = 55 мм:

p = 0,01(3 + 1,2|T_вз − T₀|)(0,0875 + 0,026v), доли ед.,                             (1)

T_вз – температура атмосферного воздуха, °С;

T₀ – температура замерзания воды, °С;

v – скорость ветра, м/с.

Таким образом, кроме температуры, на льдообразование влияет скорость ветра. К настоящему времени выполнено большое количество исследований переохлаждения воды и ее свойств в диапазоне температур от 0 до -40°С. Было выяснено, что на скорость ледообразования скорость ветра оказывает не значительное влияние. Для определения скорости роста ледяной оболочки капли, находящейся в потоке холодного воздуха, были проведены специальные эксперименты [2], результаты эксперимента представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Результаты экспериментов и расчетов по замерзанию капель воды

Стоит отметить, что производительность намораживания меняется незначительно.

Заключение

Таким образом, в ходе решения поставленных задач я сделал вывод, что на процесс замораживания воды, при использовании влияют такие факторы, как: температура окружающего воздуха, количественное содержание шуги в водно-ледяной смеси, а так же скорость ветра. Хоть по результатам исследования выяснилось, что скорость ветра оказывает незначительное влияние на скорость льдообразования, вследствие чего данной составляющей можно пренебречь. Проведенные исследования в дальнейшем будут использованы мною при написании диссертационной работы.

Список литературы:

1. Бычковский Н.Н, Гурьянов Ю.А. Ледовые строительные площадки, дороги и переправы 2005: Саратовский государственный техникум, -260 с.
2. Сосновский А.В. Ходаков В.Г. Способ производства монолитного льда 1991: База патентов СССР. -2 с.