Способ борьбы с заторами и зажорами льда

 

Изобретение относится к регулированию ледового режима рек. Способ борьбы с заторами и зажорами льда заключается в подъеме глубинных вод при помощи воздушных пузырей, образующихся при выпуске сжатого воздуха от компрессора через перфорированные отверстиями трубопроводы, уложенные на дне водоема. Выпуск сжатого воздуха производят попеременно через каждый перфорированный трубопровод и/или через группу перфорированных трубопроводов, расположенных поперек русла, таким образом, чтобы последовательно возникали три колебательных режима системы воды - лед, приводящие к разрушению, продвижению и рассредоточению ледовых образований, из которых формируются заторы и зажоры, а именно, режим стоячей воды, режим бегущей волны по течению, режим бегущей волны против течения. Изобретение обеспечивает повышение эффективности предотвращения заторов и зажоров льда и исключение экологического ущерба без снижения надежности применяемого оборудования. 3 ил.

Изобретение относится к области гидрологии, в частности, к регулированию ледового режима рек.

Известны способы борьбы с заторами и зажорами льда путем бомбометания и взрывов. (Методические указания по борьбе с заторами и зажорами льда. ВСМ 02870. Минэнерго СССР, М., 1970г.) Применение указанных способов связано с большими затратами материальных и трудовых ресурсов и в большинстве случаев малоэффективно, поскольку при наличии воды под поверхностью льда и благодаря его пластичности взрывные устройства пробивают лед и взрываются в воде, не вызывая заметных разрушений льда. При этом уничтожаются рыбные запасы, обуславливая большой экологический ущерб.

Известны способы борьбы с ледовыми осложнениями созданием пневмозащитных барьеров (Колесникова Т. В. Защита берегового водозабора Пскова от шуголедовых осложнений. Водоснабжение и санитарная техника. 1984, 4; А.С. 1086063, бюл. 14, 1984г.; Колесникова Т.В. Гидравлика пневмобарьерных комплексов бесплотинных водозаборов насосных станций. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, СНЦ "Госэкомелиовод", М., 1999г.).

В указанных способах предупреждается поступление льда и шуги за счет подачи сжатого воздуха под уровень реки или другого водоема. Эти способы борьбы с ледовыми осложнениями более рациональны, поскольку не приводят к возможным разрушениям и экологическому ущербу по сравнению, например, с бомбометанием и взрывами.

Недостатком этих способов является их малая эффективность при разрушении крупных и прочных скоплений льда, уже образовавшихся в заторах. Способом, наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче, является способ предотвращения и разрушения ледовых образований путем использования энергии и тепла глубинных вод (Баланин В.В., Бородкин Б.С., Мелконян Г.И., Использование тепла глубинных вод водоемов. Изд. "Транспорт", 1964г.).

Этот способ заключается в подаче сжатого воздуха от компрессора в уложенные на дне водоема перфорированные отверстиями трубопроводы. При этом воздух подается непрерывно во все перфорированные отверстиями трубопроводы и при его выходе из отверстий образуются воздушные пузыри, которые за счет архимедовых сил поднимаются на поверхность, увлекая нижние слои воды к поверхности водоема. Расход воздуха и расположение отверстий в трубопроводах выбираются такими, чтобы придонные, более теплые слои воды достигали поверхности на требуемой площади акватории и за счет этого тепла, а также за счет сил, возникающих при взаимодействии со льдом воды, поднимаемой в виде гребня, происходило предотвращение или разрушение ледовых образований.

Недостатком этого способа является малая эффективность при борьбе с заторами льда. Связано это с тем, что используемого тепла и возникающих при этом сил взаимодействия со льдом при непрерывном подъеме глубинных вод, недостаточно для разрушения и разгона крупных ледовых фрагментов, формирующих затор.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности при предотвращении и разрушении заторов и зажоров льда и исключение экологического ущерба без снижения надежности применяемого оборудования.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе борьбы с ледовыми осложнениями, включающем подъем глубинных вод при помощи воздушных пузырей, образующихся при выпуске сжатого воздуха от компрессора через перфорированные отверстиями трубопроводы, уложенные на дне водоема, предлагается выпуск сжатого воздуха производить попеременно через каждый перфорированный трубопровод и/или через группу перфорированных трубопроводов, расположенных поперек русла, таким образом, чтобы последовательно возникали три колебательных режима системы вода - лед, приводящие к разрушению, продвижению и рассредоточению ледовых образований заторов и зажоров, при этом первый режим (режим стоячей волны) осуществляют путем одновременного выпуска воздуха из всех перфорированных трубопроводов первой из двух или более групп трубопроводов, на которые разделяют общее количество перфорированных трубопроводов, затем одновременного выпуска воздуха из всех трубопроводов второй группы, одновременно прекращая выпуск воздуха из трубопроводов первой группы, и так последовательно через все группы трубопроводов, второй режим (режим бегущей волны по течению) осуществляют путем последовательного выпуска воздуха из первого по течению реки перфорированного трубопровода, затем из второго и так до последнего по течению трубопровода с одновременным прекращением выпуска воздуха из каждого предыдущего трубопровода, третий режим (режим бегущей волны против течения) осуществляют путем последовательного выпуска воздуха из последнего по течению перфорированного трубопровода, затем из предпоследнего и так до первого по течению трубопровода с одновременным прекращением выпуска воздуха из каждого предыдущего трубопровода, причем частоту ν) колебаний волн, связанных с попеременным выпуском воздуха из перфорированных трубопроводов, для всех трех колебательных режимов определяют по соотношению где H, м - средняя глубина водоема; h, м - средняя толщина ледового образования; меньшие значения коэффициента относятся к большей прочности и большей однородности ледовых образований, расстояние между перфорированными трубопроводами (l) определяют по соотношению где меньшие значения коэффициента относятся к меньшей прочности и меньшей однородности ледовых образований, при этом в каждой точке расходно-напорной характеристики компрессора должна обеспечиваться зависимость где Р, МПа и G, кг/с - соответственно давление нагнетания и производительность, n - частота вращения, компрессор должен иметь запас газодинамической устойчивости (ΔК_у), удовлетворяющий зависимости ΔK≥(25...35)%, динамические напряжения (σ_Д) в элементах проточной части компрессора не должны превышать значений
σ_Д≤(20...30) МПа,
политропический КПД (η_пол) компрессора должен удовлетворять требованию
η_пол≥88...90%,
а исполнительные органы должны иметь быстродействие, обеспечивающее получение указанной частоты (ν) колебательных процессов.

Это связано с тем, что известные способы, применяющиеся для борьбы с ледовыми осложнениями за счет поднимаемых потоков глубинных вод, принося количество тепла, достаточное для разрушения таких ледовых образований, как небольшие зажоры, не обеспечивают без многократного повышения мощности и производительности оборудования, т.е. больших нагрузок, вызывающих снижение надежности, и больших дополнительных затрат получение сил, необходимых для предупреждения, разрушения и разгона ледовых фрагментов, формирующих крупные заторы. Действительно, для разрушения заторов большой мощности, например, площадью около 10000 м², требуются бомбы массой 250...500 кг. При разрушении заторов закладкой зарядов в лед рекомендуется эмпирическая формула
q=kW³,
где q - масса заряда, кг; W - глубина погружения заряда, м; k - удельный расход взрывчатки, кг/м³; принимаемый в диапазоне k=0,3...2,5.

В этом случае при W=1 м, к=1 и закладке зарядов по одному заряду на 30 м² потребуется на принятую выше площадь затора 10000 м² около 330 кг взрывчатки. Как показали расчеты, выполненные по экспериментальным данным, 1 кг взрывчатки при взрыве развивает силу около 5000 Н. Поэтому в приведенном выше примере при борьбе с затором площадью около 10000 м² сила, развиваемая при взрыве одной бомбы массой 250 кг, или зарядами, заложенными в лед (330 кг), составит 1250000. . . 1650000 Н. Известные же способы, основанные на подъеме глубинных вод, обычно могут обеспечить усилия, определяемые по эмпирическим формулам, полученным по экспериментальным данным

P=1,2 х 10³ х h_Т ²•Q^2/3,
где Q - требуемый расход воздуха, приведенный к атмосферным условиям, м³/с; F - площадь поверхности ледообразования, м²; 1_Т - теплосъем с ледообразования, кВт/м²;
Δt - разность температур воды у дна и поверхности, ^oС; Р - суммарная сила, действующая на лед у поверхности воды, Н; h_T - глубина заложения выдувных воздушных трубопроводов.

Например, при указанной выше площади ледового образования 10000 м², Δt= 1^oС, l_T=1 кВт/м² и h_T=10 м по указанным формулам получены числовые значения Q=0,15 м³/с и Р≈34000 Н.

Видно, что полученная в примере суммарная сила Р многократно меньше сил, получаемых, например, при бомбометании и взрывах. Для создания потоков глубинных вод, обладающих необходимыми энергетическими характеристиками, целесообразно периодическое изменение количества движения водяных потоков, приводящее к колебательным процессам типа бегущей и стоячей волны, характеризуемым частотами, укладывающимися в спектр частот собственных колебаний ледовых образований.

Связанные с этими процессами периодические возмущающие силы приводят к возникновению в ледовых образованиях вынужденных колебаний, обуславливающих возникновение резонансных колебаний, приводящих к многократному увеличению сил, разрушающих ледовые образования, что позволяет с большей эффективностью и меньшими энергетическими и трудовыми затратами решить поставленную задачу.

Как известно, спектр частот собственных (естественных) колебаний ледового покрова достаточно широк (Богородский В.В., Гаврило В.П. Лед. -Л.: Гидрометеоиздат, 1980г. ) и может быть определен для продольных колебаний (растяжение, сжатие) и поперечных колебаний (изгиб, сдвиг) диапазонами значений от единиц килогерц до сотых долей герца.

Наиболее энергонесущий участок спектра занимает область частот от единиц до сотых долей герца, для которой характерны изгибные колебания ледового покрова. При формировании переменных водяных потоков проходит также возбуждение подледного слоя воды с образованием гравитационных волн. Совместные движения ледовой массы и массы воды, находящейся под ней, образуют изгибно-гравитационные волны.

В качестве резонансного, приводящего к максимальному возмущению ледового покрова и его последующему взламыванию целесообразно рассмотреть случай, когда изгибно-гравитационные волны распространяются одновременно в ледовом образовании и в воде с одинаковой скоростью (минимум на дисперсионной кривой). Для этого случая критические значения волнового числа (К), длины волны (ν), периода (Т) и фазовой скорости (С) для мелкой воды (К.Н<<1, где Н - глубина водоема) приближенно могут быть определены по формулам




где ρ и h - соответственно плотность и толщина льда, g - ускорение силы тяжести, D - цилиндрическая жесткость.

Приведенные формулы позволяют определить для конкретных гидрологических условий водоема необходимые параметры изгибно-гравитационных волн в резонансном режиме, в частности, обобщить их с учетом анализа ряда экспериментальных данных эмпирическими зависимостями.

Для частоты собственных колебаний Гц и для длины волны где K_ν и K_λ - кратность относительно вынужденных колебаний. При этом необходимо выполнить ряд условий, вытекающих из требований к оборудованию, используемому для реализации поставленной задачи. Так, с целью создания необходимых сил взаимодействия с ледовыми образованиями и снижения энергетических затрат необходимо применение компрессора дли подачи сжатого воздуха, обладающего высокой производительностью, высоким кпд, повышенными запасами газодинамической устойчивости и динамической прочности для надежной работы в системе, связанной с периодическими возмущениями. Указанным требованиям удовлетворяет компрессор, который не имеет ограничений по производительности, обеспечивает политропический кпд, удовлетворяющий требованию
η_пол≥(88...90)%,
отвечающий требованию устойчивой работы в системе перфорированных трубопроводов, погруженных в воду, обусловленному эмпирической зависимостью в каждой точке расходно-напорной характеристики компрессора

где ∂Р, МПа - изменение давления сжатого воздуха за компрессором;∂G, кг/с - изменение производительности компрессора при неизменной частоте вращения n вала компрессора. Компрессор должен иметь запас газодинамической устойчивости в рабочей точке

удовлетворяющий эмпирической зависимости
ΔK_y≤(25...35)%,
где индексы "п" и "р" соответственно относятся к точке на границе помпажа и к рабочей точке на характеристике компрессора при неизменной частоте вращения вала компрессора. При этом для обеспечения необходимых запасов динамической прочности динамические напряжения (σ_Д) в элементах проточной части компрессора должны соответствовать эмпирической зависимости
σ_Д≤(20...30) МПа,
С целью обеспечения колебательных процессов необходимо применение исполнительных органов (поворотных заслонок, клапанов), обладающих быстродействием, характеризуемым частотами, укладывающимися в указанные выше спектры колебаний. Борьбу с заторами и зажорами по предлагаемому способу целесообразно производить путем попеременной подачи сжатого воздуха от компрессора в расположенные поперек русла подводные перфорированные трубопроводы с последовательной реализацией трех колебательных режимов, обеспечивающих суммарное разрушительное воздействие на ледовые образования. Сначала сжатый воздух подается попеременно в каждую из двух (или более) групп подводных перфорированных трубопроводов с одновременной подачей воздуха в каждый перфорированный трубопровод данной группы. Благодаря одновременному возникновению, а затем исчезновению нескольких гребней воды над всеми трубопроводами одной группы с одновременным, смещенным по фазе процессом образования и исчезновения нескольких гребней в другой группе, реализуется первый колебательный режим (режим стоячей волны), который обеспечивает эффективное разрушение ледовых образований.

Этот режим может быть реализован попеременной подачей и отключением сжатого воздуха во все трубопроводы одновременно без разделения их на группы. Однако такая реализация первого режима менее экономична, т.к. для обеспечения устойчивой работы компрессора необходимо в фазе отключения сжатого воздуха от подводных трубопроводов выпускать его в атмосферу, т.е. допустить излишние энергетические потери. Затем воздух подается в первый по течению реки перфорированный подводный трубопровод, далее во второй и так до последнего трубопровода с одновременным прекращением подачи воздуха в каждый предыдущий трубопровод. Благодаря последовательному образованию гребня воды на поверхности над каждым из подводных трубопроводов реализуется второй колебательный режим - бегущей волны в направлении течения реки. После создания гребня над последним по течению реки трубопроводом производится подача воздуха в предыдущий по течению реки трубопровод (с прекращением подачи воздуха в последний по течению реки трубопровод) и далее в такой же последовательности попеременно подается сжатый воздух в остальные перфорированные трубопроводы, в том числе и в первый по течению реки. Этим реализуется третий колебательный режим - бегущей волны против течения реки. Второй и третий колебательные режимы, помимо разрушительного воздействия на ледовые образования, способствуют активному продвижению и рассредоточению ледовых образований.

Для реализации попеременной подачи воздуха в перфорированные трубопроводы на их входе установлены проходные клапаны типа "открыт - закрыт" с дистанционными приводами, а для подачи воздуха в группы перфорированных трубопроводов установлена трехкодовая заслонка, переключающая подачу воздуха от компрессора попеременно на одну из групп. Проходные клапаны и трехкодовая заслонка могут быть выполнены в виде известных устройств с дистанционными приводами, управляемыми по программам, обеспечивающим описанный выше порядок распределения воздуха по перфорированным трубопроводам. При борьбе с заторами и зажорами приведенным способом расход дефицитных ресурсов и энергии значительно уменьшается, чем обеспечиваются большой экологический эффект и ресурсоэнергосбережение.

На фиг.1 схематически изображено устройство для реализации предложенного способа; на фиг.2 - графики реализации колебательных режимов; на фиг.3 представлена диаграмма, иллюстрирующая наличие резонансных зон при совпадении частот возмущающих сил с частотами собственных колебаний ледовых образований.

Для реализации предложенного способа можно рассмотреть схему устройства, изображенную на фиг.1. Устройство состоит из двух групп перфорированных отверстиями трубопроводов 1...6, уложенных на дне 7 поперек русла реки, начиная от одного берега в направлении к другому берегу, имеющей направление течения 8, и соединенных с нагнетательным трубопроводом 15 компрессора 13 с помощью двух распределительных трубопроводов 12 и 18 через распределительную заслонку 17 и соединительный клапан 16. Распределительные трубопроводы 12 и 18 сообщены с перфорированными трубопроводами 1...6, через запорные клапаны 1'. ..6' с дистанционными приводами 10, управляемыми сигналами 11, и трубопроводы 1''. . .6''. Реализация предлагаемого способа производится следующим образом. Воздух из атмосферы 14 засасывается компрессором 13, сжимается в нем и подается через заслонку 17 (полотно заслонки зафиксировано в положении "а") и открытый клапан 16 в распределительные трубопроводы 18 и 12 и далее поступает через открытый клапан 1' и соединительный трубопровод 1'' в перфорированный отверстиями трубопровод 1, через отверстия которого пузыри воздуха выходят в воду, увлекая ее в форме конусов 20, выходящих из каждого отверстия, с образованием гребней 19 на всем протяжении трубопровода при выходе на поверхность воды 9. Затем клапан 1' закрывают, одновременно открывая клапан 2', благодаря чему гребни возникают над трубопроводом 2, исчезая над трубопроводом 1. После этого закрывают клапан 2' и далее повторяют процесс открытии-закрытия клапанов в описанной последовательности до клапана 6' включительно. Попеременное открытие-закрытие клапанов от 1' до 6' вызывает образование бегущей волны в направлении течения реки (колебательный режим 2). После закрытия клапана 6' открывают клапан 5', затем его закрывают, открывая клапан 4', и далее в аналогичной последовательности открывают - закрывают клапаны 3', 2', 1', вызывая образование бегущей волны в направлении против течения реки (колебательный режим 3).

По окончании режима 3 закрывают клапан 16 и включают привод заслонки 17, которым вращают полотно заслонки, например, по часовой стрелке и тем самым попеременно соединяют распределительные трубопроводы 18 и 12 с нагнетательным трубопроводом 15 компрессора 13, подавая сжатый воздух попеременно в группу перфорированных трубопроводов 1, 3, 5 и группу 2, 4, 6, вызывая образование над указанными перфорированными трубопроводам стоячую волну, состоящую из двух колебательных контуров в противофазе (колебательный режим 1), после чего описанные операции повторяются, т.е. осуществляется режим 2, режим 3 и т.д. Колебательная система воздействия на лед, возникающая на базе трех колебательных режимов, разрушает ледовые образования затора и с учетом пониженной плотности воздушно-водяной массы, содействующей затоплению ледовых фрагментов, создает необходимые условия для продвижения и рассредоточения льда в заторе.

Для управления клапанами 1...6 и заслонкой 17 используют программы, изображенные в координатах расход воздуха (Q) - время (t) на фиг.2, где в п. "а" описывают режим бегущей волны по течению реки (режим 2), в п."б" описывают режим бегущей волны против течения (режим 3), в п."в" описывают режим стоячей волны (режим 1). Цифры над линиями изменения расхода во времени указывают номера перфорированных трубопроводов: при Q=0 в трубопровод воздух не поступает, при Q>0 в трубопровод подается сжатый воздух. Интервалы времени Δt₁ = Δt₂..Δt_i выбирают такими, чтобы на фиг.3 частоты возмущающих сил ν_BC/ (частоты колебаний на режимах 1, 2, 3) обеспечивали на шкале вынужденных колебаний ν_BK попадание в зону частот собственных колебаний ν_CK, ограниченную линиями 1 и 2 при низких кратностях (желательно I_КР...V_КР).

Формула изобретения

Способ борьбы с заторами и зажорами льда, заключающийся в подъеме глубинных вод при помощи воздушных пузырей, образующихся при выпуске сжатого воздуха от компрессора через перфорированные отверстиями трубопроводы, уложенные на дне водоема, отличающийся тем, что выпуск сжатого воздуха производят попеременно через каждый перфорированный трубопровод и/или через группу перфорированных трубопроводов, расположенных поперек русла, таким образом, чтобы последовательно возникали три колебательных режима системы вода - лед, приводящие к разрушению, продвижению и рассредоточению ледовых образований заторов и зажоров, при этом первый режим (режим стоячей волны) осуществляют путем одновременного выпуска воздуха из всех перфорированных трубопроводов первой из двух или более групп трубопроводов, на которые разделяют общее количество перфорированных трубопроводов, затем одновременного выпуска воздуха из всех трубопроводов второй группы, одновременно прекращая выпуск воздуха из трубопроводов первой группы, и так последовательно через все группы трубопроводов, второй режим (режим бегущей волны по течению) осуществляют путем последовательного выпуска воздуха из первого по течению реки перфорированного трубопровода, затем из второго и так до последнего по течению трубопровода с одновременным прекращением выпуска воздуха из каждого предыдущего трубопровода, третий режим (режим бегущей волны против течения) осуществляют путем последовательного выпуска воздуха из последнего по течению перфорированного трубопровода, затем из предпоследнего и так до первого по течению трубопровода с одновременным прекращением выпуска воздуха из каждого предыдущего трубопровода, причем частоту ν) колебаний волн, связанных с попеременным выпуском воздуха из перфорированных трубопроводов, для всех трех колебательных режимов определяют по соотношению

где Н, м - средняя глубина водоема, h;
м - средняя толщина ледового образования,
меньшие значения коэффициента относятся к большей прочности и большей однородности ледовых образований, расстояние между перфорированными трубопроводами (l) определяют по соотношению

где меньшие значения коэффициента относятся к меньшей прочности и меньшей однородности ледовых образований, при этом в каждой точке расходно-напорной характеристики компрессора должна обеспечиваться зависимость

где Р, МПа и G, кг/с, - соответственно давление нагнетания и производительность, n - частота вращения, компрессор должен иметь запас газодинамической устойчивости (ΔК_у), удовлетворяющий зависимости
ΔК_у≥(25. . . 35)%,
динамические напряжения (σ_Д) в элементах проточной части компрессора не должны превышать значений
σ_Д≤(20. . . 30) МПа,
политропический КПД (η_пол) компрессора должен удовлетворять требованию
η_пол≥88...90%,
а исполнительные органы должны иметь быстродействие, обеспечивающее получение указанной частоты (ν) колебательных процессов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 10.10.2009

Извещение опубликовано: 10.10.2009        БИ: 28/2009

---