Как измеряют температуру льда

Как измеряют температуру льда

Регионы мира

Еще в 1959 году советский океанолог Николай Зубов показал, что существует некоторая критическая толщина льда, при которой температура на границе лед — ложе равна температуре плавления льда. На этой границе уравновешиваются приток и отток тепла. Но если толщина льда больше критической, то граница равновесия находится выше поверхности лед — ложе и в нижней толще льда существует слой, имеющий температуру таяния. Избыток тепла в этом слое затрачивается на превращение части льда в воду.

Эту плодотворную идею Зубова развивали советские и зарубежные гляциологи, которые предложили модели для расчета критической толщины льда и даже слоя талого льда. В модели входили и скорость аккумуляции (питания), и тепло, выделяющееся в результате движения льда, и геотермический поток. Значение этих факторов для расчета критической толщины льда можно показать на таком примере. При годовой аккумуляции 100 мм (характерной для обширных центральных районов Антарктиды), среднем геотермическом потоке 168 Дж/(см2-год) и примерно таком же поступлении тепла за счет движения льда расчетная критическая толщина равняется 1700 м, а без учета аккумуляции — только 1000 м. Изменение аккумуляции на 100 мм меняет критическую толщину почти вдвое. Такая чувствительность температуры внутри ледника к изменениям аккумуляции понятна, так как выпадающий снег это и „овеществленный» поток тепла, и в то же время формирующийся на поверхности ледникового покрова теплоизолятор.

Источник

СВЕРХБЫСТРЫЙ ЛЕД: ОДИН НА ВСЕХ?

Прошедший 5-6 февраля 2005 г. в г. Москве Чемпионат мира в классическом многоборье окончательно убедил руководство Международного союза конькобежцев (ISU), специалистов и тренеров в том, что на современном этапе конькобежный спорт — это в значительной степени соревнование высоких технологий и последних достижений в физико-химических методах подготовки льда.

В первый день московского чемпионата было установлено несколько рекордов катка в Крылатском, превышено не одно личное достижение — ,например, Анни Фризингер (победительница на ВСЕХ дистанциях — авт.) сделала то, что пообещала накануне в интервью «СЭ», — обновила свой личный рекорд на дистанции 3000 м. Состоялся и мировой рекорд — юниорский : голландка Ирен Вюст пробежала 3 км за 4. 08, 15″.

«Что касается победителя и призёров мужской части чемпионата, то американцам самой малости не хватило, чтобы оккупировать весь пьедестал. В своих комментариях лидеры сборной США выражали свой восторг по поводу организации чемпионата и особенно — качества льда.»

Анализируя итоги чемпионата мира в Конькобежном центре в Крылатском, прежде всего, следует помнить о том, что высочайшие результаты были показаны спортсменами, несмотря на три существенных фактора, которые многие скептики упоминали как негативные и исключающие достижения мирового уровня:

во-первых, стадион ККЦ был спроектирован и построен в фантастически короткие сроки и функционировал до начала чемпионата не более трёх месяцев;

во-вторых, в эти же кратчайшие сроки проводились аналитические и экспериментальные исследования в области физики и химии льда, без которых невозможно было проведение чемпионата подобного ранга;

в-третьих, ледовый стадион в Москве — равнинный и в силу объективных причин находится в заведомо худших условиях по отношению к высокогорным каткам, имеющим значительные преимущества за счёт снижения аэродинамического сопротивления; при этом подавляющее большинство участников соревнований входит в мировую конькобежную элиту и многократно выступали на таких катках, как в Калгари и Солт-Лейк Сити.

В силу этого любой личный рекорд, установленный в Москве, может объективно считаться заслугой не только самого спортсмена, но и подтверждением особых скоростных свойств льда, в нереально короткие сроки подготовленного к чемпионату мира. А личные рекорды были у 29,8% всех стартовавших спортсменок! Иными словами, почти для 30% конькобежек наш лёд оказался самым быстрым в мире, несмотря на его равнинную расположенность.

Именно об этом говорил президент ISU г-н Оттавио Чинкванта, обращая внимание в своих интервью на то, что ведущие мировые конькобежные центрыдесятилетиями нарабатывают собственные рецепты быстрого льда, технологии его намораживания и поддержания. В этом смысле ККЦ им расценивается как наиболее перспективная европейская арена, с самого начала заявившая о себе как современнейший спортивный комплекс, активно развивающий свою технологическую и научно-техническую базу!

Дополнительным фактором, осложнившим наморозку эталонного льда уже к этому чемпионату, с уверенностью можно назвать поистине «младенческий» возраст технологической бетонной плиты, внутри которой расположены трубы с хладоносителем, так как с момента бетонирования до момента заливки первого льда прошло не более месяца. Вследствие этого плита активно «дышит». И это «дыхание» проявляется под слоем твёрдого прозрачного льда, намороженного по новой методике, устраняющей газообразные включения. С течением времени на плите появляются кружевные воздушные пятна, с одной стороны, увеличивающие термическое сопротивление теплообмену между льдом и хладоносителем, а, с другой стороны, снижающие в местах их образования твёрдость всего ледяного массива. Предварительная обработка и мытьё плиты специальными составами, «вытягивающими» на поверхность газовые включения, могут только ослабить этот процесс, а окончательно устранить «дыхательный фон» удаётся не ранее, чем через год эксплуатации.

Естественно, что имели место и другие симптомы стартового периода огромного комплекса, не все инженерные системы и службы контроля, предусмотренные проектом, были полностью освоены и отлажены. Однако несмотря на то, что далеко не весь наработанный научный потенциал удалось воплотить к первому чемпионату, единодушная оценка льда спортсменами и тренерами сводилась к тому, что в ККЦ — лучший лёд в Европе,, и по результатам он объективно уступает только высокогорным овалам Калгари и Солт-Лейк Сити, где устанавливается наибольшее количество мировых рекордов за счёт существенно меньшего аэродинамического сопротивления. Особенно важен для нас как разработчиков новой двухслойной модели льда тот факт, что значительная часть мировой конькобежной элиты на нашем льду бежала быстрее, чем в Херенвейне (Голландия) — на стадионе, имеющем славу мирового конькобежного центра, который давно и успешно работает со льдом.

С другой стороны, открытое признание того факта, что современные технологии позволяют в значительной степени влиять на качество льда, поставило перед Международным союзом конькобежцев и национальными федерациями серьёзнейшую задачу объективного и независимого контроля за тем, чтобы эти способы влияния на скоростные свойства льда использовались не избирательно для определённой группы спортсменов, а последовательно во все дни данного чемпионата, на всех дистанциях и во всех забегах. Иными словами, ставится задача идентификации свойств льда для всех участников , принимающих старт на конкретной дистанции во всех забегах. Строго говоря, анализ кинематики и динамики скользящего шага показал, что с точки зрения наименьшего сопротивления скольжению оптимальные теплофизические параметры льда на спринтерских, средних и стайерских дистанциях различны. Так, например, на коротких дистанциях относительная доля разбега с коротким мощным ударного типа шагом весьма велика, и, как следствие, лёд должен быть более вязким и эластичным . На длинных же дистанциях доля разбега мала, а длина скользящей фазы значительно больше, поэтому лёд должен быть более твёрдым и холодным, минимизируя заглубление в него конька.

Таким образом, во избежание заведомого или случайного создания неидентичных условий скольжения в разных забегах на одной дистанциируководство ISU заинтересовано и уже выступает с инициативой создания специальной независимой технической службы, призванной контролировать равноценность условий для стартующих спортсменов. Вопрос в другом: насколько точно имеющаяся в распоряжении технических служб стадионов измерительная база в состоянии отслеживать такие характеристики? Существуют ли отработанные и достаточно надёжные методики таких измерений? Как велика продолжительность действия различных растительных и химических микродобавок и присадок к воде , используемой при штатной подготовке льда?

На этих и других актуальных вопросах мы хотели бы подробнее остановиться в настоящей статье.

Кроме температуры, технические службы должны располагать информацией о тепло-влажностных параметрах воздуха непосредственно надо льдом и на уровне дыхания бегущих спортсменов.

Детальный и оперативный контроль температуры беговых ледовых дорожек и состояния воздушной среды

Успех проведения и уровень показанных результатов на первенствах мирового уровня базируется на многих взаимосвязанных компонентах, основными из которых, несомненно, являются подготовка спортсменов и научно-техническое оснащение ледового комплекса.

До сегодняшнего дня основное внимание уделялось первой составляющей, как принято считать, наиболее значимой и очевидной. К сожалению, в большинстве случаев в неудачах, связанных с падениями и травмами, единогласно обвиняют спортсменов и тренеров, забывая о технической стороне вопроса. Сами технические службы спортивного комплекса зачастую становятся заложниками ошибок и нарушений, допущенных ещё на стадии проектирования и строительства. Так, например, наличие локальных неоднородностей по температуре льда (2-3°C) на вираже может привести к падению спортсмена в результате заметного изменения твёрдости и, как следствие, условий скольжения на данном «термическом пятне». Напомним, что российскими СНиПами допускается разность температур между любыми точками на ледовом поле не более 0,5°C. Однако, часто приходится наблюдать, как судьи и тренеры, измерив температуру льда в одной точке, или ,еще хуже, оценив ее по выводимому на табло значению, делают заключение о состоянии всей поверхности льда. В данной статье хотелось бы более подробно рассмотреть вопросы, связанные с возможными нарушениями однородности качества ледовой поверхности на этапах проектирования и эксплуатации, а также оперативного определения ее состояния в процессе соревнований.

Ошибки, допущенные при проектировании и монтаже системы охлаждения бетонной плиты , приводят к локальным температурным неоднородностям, в ряде случаев значительно превышающим допустимое значение — 0,5 градуса. Их площадь может составлять от единиц квадратных дециметров до десятков квадратных метров. Как уже отмечено, наличие на поверхности льда значительных локальных температурных неоднородностей недопустимо, так как они могут привести к нарушению устойчивости конькобежцев, к появлению у них неуверенности и снижению их скорости, а в ряде случаев способствуют падению спортсменов. После строительства катка устранить недостатки такого характера, не изменяя элементы или конструкцию охлаждаемой плиты в целом, практически невозможно, но и проводить на ней соревнования становится также опасно (организаторам первенства могут быть предъявлены судебные иски, а результаты -опротестованы). Для понимания того, что требуется устранять, перечислим, чем обусловлены температурные локальные неоднородности:

• величиной кривизны поверхности бетонной плиты, которая приводит к изменению заданного соотношения толщины льда и бетона и, соответственно, суммарного термического сопротивление в данной локальной точке ледового поля (изменение толщины льда на 3 мм влечёт за собой изменение температуры его поверхности на 0,5 градуса) (рис. 1, 2);
• различной величиной гидравлического сопротивления отдельных сегментов трубной решётки и, как следствие — интенсивностью теплоотдачи в трубах (рис.3);
• неравномерностью толщины слоя бетона над трубами системы охлаждения, что является следствием либо их негоризонтальной укладки , либо «всплытия» на определённых участках во время заливки бетоном (рис. 4);
• нарушением эквидистантности между трубами в бетонной плите при их механической фиксации и монтаже;
• использованием некачественного бетона или бетона, различного по составу для отдельных участков поля. На (рис. 5) показан фрагмент бетонного поля, наблюдаемый сквозь слой прозрачного льда.

Частично снизить влияние ряда этих факторов удаётся увеличением толщины намораживаемого льда. Однако дополнительное увеличение толщины льда по отношению к величине, установленной международными правилами, естественно, приводит к росту энергозатрат на компенсацию теплопритоков в режиме намораживания и эксплуатации ледового стадиона.

Рисунок 2 — Температура поверхности льда в зависимости от толщины ледового покрытия (экспериментальная зависимость)

Рисунок 1 — Неравномерность толщины слоя льда

Рисунок 3 — Различные варианты раскладки трубной системы технологической плиты, иллюстрирующие неравномерное распределение хладоносителя

Рисунок 5 — Фрагмент неоднородностей бетонного поля

Значительный опыт, приобретённый сотрудниками нашего предприятия, начиная с 70-х годов в Союзспортпроекте, при проектировании и анализе практики эксплуатации конькобежных дорожек в Киеве, Коломне, на Водном стадионе в Москве показал, что наиболее важно выявить и устранить локальные термические неоднородности на поворотах. При этом необходимо предельно точно определить площадь «пятна» и максимальную разность температур, возникающую на поверхности льда при его номинальной толщине. Выбор конкретного технического решения по его устранению зависит от причины локальной неоднородности, установить которую возможно только в процессе экспертизы.

Не считая методов химического воздействия на свойства поверхности, практически в каждой системе холодоснабжения предусмотрены технические возможности изменения теплофизических параметров льда на беговой дорожке, которые могут избирательно повлиять на результаты забега ряда спортсменов — как положительно, так и отрицательно (увеличивается или, соответственно, уменьшается скорость их скольжения, увеличивается вероятность падения спортсмена на виражах и т.д.). Скорость изменения температуры поверхности льда зависит от скорости изменения температуры хладоностителя, от толщины бетонной плиты, от толщины льда и возможностей системы кондиционирования воздуха. В пределах одного этапа соревнований (особенно на длинных дистанциях) можно изменять температуру поверхности льда всей беговой дорожки или её части от долей до единиц градуса, что, в свою очередь, может привести к значительному изменению скользкости льда (более чем на 15% (рис. 6, 7). С целью проведения экспериментальных исследований по определению влияния различного физико-химического воздействия на суммарную силу сопротивления движению, нами совместно со службами ККЦ был разработан экспериментальный скользиметр, имитирующий реальную нагрузку . С его помощью были проведены соответствующие измерения по определению влияния поверхностной температуры льда на его скользящие свойства (рис. 6, 7).

Рисунок 4 — Примеры отклонения раскладки трубной системы

Рисунок 6 — Влияние температуры поверхности на скользящие свойства льда

Рисунок 7 — Влияние поверхностной температуры льда на его скользкость

Выводимые на табло и на экран монитора в диспетчерском пункте значения температуры поверхности льда не в полной мере отражают реальное её значение (рис. 8).

О — датчики температуры бетонной плиты
Х — датчики поверхностной температуры льда
Рисунок 8 — Типовая схема контроля и управления основными параметрами системы хладоснабжения, кондиционирования и вентиляции

Во-первых, температура измеряется конечным числом зафиксированных датчиков, которые не способны охватить всю площадь ледовых дорожек (несколько тысяч квадратных метров) и выявить температурные неоднородности. Во-вторых, датчики температуры, используемые для дистанционного измерения температуры, имеют по паспорту большую абсолютную погрешность, равную ±2 градуса. В-третьих, показания могут быть подведены к нужным значениям путём калибровки каждого датчика или программным способом. В-четвёртых, в силу жёсткого временного регламента проведения международных соревнований не представляется возможным оперативно использовать контактные поверхностное измерение температуры в большом количестве точек. Более того, имеются определённые сложности в трактовке выдаваемых ими значений температуры и сопоставлении их с данными соответствующих дистанционных измерителей. Одним из наиболее перспективных и интенсивно развивающихся методов контроля распределения температуры по поверхности ледового поля является метод инфракрасного сканирования, основанный на собственной излучательной способности объектов. Основным его преимуществом в условиях эксплуатации крупного ледового комплекса является бесконтактность процесса контроля и возможность одновременного охвата большой площади (количества точек) ледовой поверхности. Получаемые с помощью данного метода термограммы представляют собой псевдоцветовое кодирование температуры поверхности льда (рис. 9, 10) и весьма наглядны для выявления существующих температурных аномалий поверхности (зон, перепад температур по которым превышает 0,5°C). Программное обеспечение термографов позволяет также оперативно получать профиль температур в любом сечении полученного термоизображения (рис. 9, а, б).

Рисунок 9 — Сечение а

Рисунок 9 — Сечение б

Рисунок 9 — Термограмма ледовой поверхности

Рисунок 10 — Фрагмент термограммы, иллюстрирующий температурные. Увеличение 1:2

Более подробное описание работы с методами визуализации температурных полей будет приведено в следующем номере журнала.

В заключение отметим, что современный спорт уже очень активно берёт на вооружение самые современные научно-технические достижения, что делает его всё более зрелищным и скоростным. С другой стороны, привлечение новейших технологий к созданию ледовой поверхности с программируемыми свойствами, использование специальных присадок и добавок, действие которых ограничено по времени, ставит перед организаторами международных соревнований дополнительные задачи по организации независимого контроля за использованием этих средств и предотвращению избирательности при их применении. Впервые в истории конькобежного спорта президентом ISU Оттавио Чинкванта после завершения сезона 2005 года была высказана инициатива разработки специальных методик, создания технического контрольно-измерительного оборудования и организации специализированной службы, призванной решать вышеобозначенные вопросы.

Руководство ККЦ в Крылатском совместно с рядом научно-технических организаций, в числе которых и наше предприятие, при поддержке федераций ледовых видов спорта также выступили с предложением о создании единого Ледового центра, координирующего исследования в области физики и химии льда применительно к требованиям различных видов спорта. Возможность создания такого центра в настоящий момент рассматривается московским правительством. Ледовый центр может также стать базой для разработки единых методик измерения и контроля льда и основой обеспечения спортсменам равных соревновательных условий и получения достоверной технической информации, а также для обучения специалистов по заливке льда для всей России.

Источник