СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЛЬДА НА ПОВЕРХНОСТИ РЕКИ Российский патент 2000 года по МПК F25C1/00 E02B17/00 

Изобретение относится к гидротехнике, в частности, для гидроэлектростанций (ГЭС) с глубоким водозабором, эксплуатируемых в северных районах. Может быть использовано для уменьшения экологического ущерба, наносимого подобного типа ГЭС, а именно
образования зимой водо-ледяного тумана над длинной незамерзающей полыньей в нижнем бьефе гидроузлов, создающего экологическую проблему в близлежащих населенных пунктах;
сброса воды из глубинных слоев водохранилища, обедненных кислородом.

Известны способы селективного водозабора на плотинах из водохранилища, направленные на уменьшение экологического ущерба. Эти способы реализуются использованием подвижных преград, устанавливаемых перед плотиной ГЭС и в водохранилище (1).

Недостатками указанного способа являются: неэффективность из-за захвата больших масс теплой воды;
наличие подвижных устройств, предшествующих водопропускным каналам ГЭС и являющихся источником создания аварийной обстановки на ГЭС в случае поломки устройств;
ограниченная возможность регулирования процессами льдообразования в нижнем бьефе и вследствие этого возможность образования весной ледяных заторов и паводковых подтоплений.

Известен также способ регулирования температуры воды в нижнем бьефе ГЭС, направленный на уменьшение экологического ущерба, основанный на распылении атмосферного воздуха в потоке реки после плотины и создании поверхностного облегченного слоя воды, контактирующего с холодным атмосферным воздухом (2).

Недостатком этого способа является неэффективность сокращения полыньи, вызванная быстрым исчезновением эффекта "облегченного слоя", из-за низкой растворимости воздуха в воде, а также незначительной теплоемкостью воздуха в сравнении с теплоемкостью воды.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения льда на водной поверхности, включающий разбрызгивание воды и воздействие морозным воздухом над поверхностью (3).

Недостатком указанного способа являются:
образование водо-ледяного тумана в атмосфере и вследствие этого ухудшение экологической обстановки в близлежащих населенных пунктах;
Задача, решаемая изобретением, - снижение вредных экологических воздействий на окружающую среду.

Задача решается тем, что осуществляют производство льда на поверхности реки, включающее разбрызгивание и воздействие морозным воздухом над поверхностью реки. Новым в предлагаемом решении является то, что перед разбрызгиванием осуществляют принудительное охлаждение потока воды до состояния, близкого к переходу "вода-лед", осуществляют подачу сжатого воздуха, затем смешивают его с потоком охлажденной воды, разбрызгивают воздушно-водяную смесь в толще потока реки с образованием потока воздушно-водо-ледяной смеси и промораживанием этой смеси на морозном воздухе. Техническим результатом является непрерывное и регулируемое льдообразование на реке за счет ресурсов ГЭС.

На фиг. 1 представлена структурная схема реализации способа.

На фиг. 2 представлены теплофизические характеристики процесса замерзания воды.

На фиг. 3 представлена зависимость плотности воды и льда в рабочем интервале температур.

Способ реализуется следующим образом. Часть потока воды (см. фиг. 1) ≅ 1 м³/с) после плотины принудительно охлаждают (операция 1). Охлаждение потока воды осуществляют в мощной холодильной установке, использующей ресурсы ГЭС - механическую энергию водяного колеса или электрическую энергию генератора. Реализация данной операции может осуществляться в холодильных установках различного типа с механическим и электрическим энергопитанием.

Для того, чтобы заморозить 1 кг воды с температурой +4^oC, нужно:
охладить ее до температуры кристаллизации - 0^oC, забрав энергию, равную 16 кДж;
отнять 332 кДж для кристаллизации воды, при этом температура остается постоянной и равной 0^oC.

Охлаждение потока воды осуществляют путем ее контактирования с охлаждаемой рабочей поверхностью холодильной установки до состояния, близкого к переходу в лед (линия А-А, фиг. 2). Выбором рабочей точки (линия А-А, фиг. 2) предварительного охлаждения предотвращают обледенение внутри установки. Таким образом, происходит подготовка к замерзанию и отнятие у воды большей части накопленного тепла.

Одновременно с этим (операция 2) осуществляют подачу сжатого и охлажденного атмосферного воздуха. Атмосферный воздух сжимают до давлений, не превышающих гидростатический напор ГЭС (8-10 атм), охлаждают до температур, близких к температуре охлажденной воды (около 0^oC). Это реализуют, например, с использованием воздушно-компрессорных установок стационарного типа с электрическим энергопитанием, принудительным охлаждением, регулируемой производительностью, и полезной мощностью, обеспечивающей смещение рабочей точки с линии А-А до точки замерзания 332 кДж (см. фиг. 2), т.е. окончательное замораживание потока охлажденной воды на операции 4.

Затем осуществляют смещение воздуха с потоком охлажденной воды (операция 3). Смешение воздуха с сильноохлажденной водой осуществляют смесителями "газ-жидкость". Степень однородности, а также пропорции смешивания охлажденного и сжатого потока воздуха с потоком сильноохлажденной воды осуществляют таким образом, чтобы обеспечить замерзание воды при выполнении последующей операции 4.

Затем воздушно-водяную смесь разбрызгивают в толще речного потока (операция 4) путем размещения выпускных отверстий одного или более смесителей "газ - жидкость" на глубинах в толще речного потока. Диапазон глубин размещения выпускных отверстий выбирают, исходя из погруженности выпускных отверстий смесителей при низком уровне воды в реке и исключения размыва дна вырывающимися из смесителей воздушно-водяными потоками.

При разбрызгивании воздушно-водяной смеси вырывающийся под давлением воздух резко расширяется, способствуя доохлаждению потока воды. Теряя свою энергию, вода начинает кристаллизоваться, превращаясь в растущие кристаллы льда. Происходит образование ледяной фазы. Таким образом, на выходе операции 4 образуется поток воздушно-водо-ледяной смеси.

Обладая меньшей плотностью, воздушно-водо-ледяная смесь всплывает на поверхность реки, образуя не перемешивающийся поверхностный слой, граничащий с морозным воздухом. Из данного графика видно, что плотность воды при 0^oC меньше плотности воды при +4^oC, поэтому холодная вода не смешивается с теплой, а остается на поверхности реки, контактируя с морозным воздухом. Плотность льда существенно меньше плотности воды. Образующаяся воздушно-водо-ледяная смесь уносится вниз течением реки.

Промораживание слоя воздушно-водо-ледяной смеси на морозном воздухе и образование сплошного ледяного покрытия на поверхности реки (операция 5) происходит следующим образом. В поверхностном слое воздушно-водо-ледяной смеси, граничащей с морозным воздухом, продолжаются процессы кристаллизации воды, роста льдинок, перемещаемых течением реки. В местах пониженной скорости течения (вблизи берегов, у кромки ледостава) льдинки начинают смерзаться, образуя сплошное покрытие на поверхности реки. Постепенно происходит покрытие льдом всей полыньи.

1. Расчет требуемой мощности охлаждения:
Длина незамерзающей части Енисея - 2500•10³ м
Расчетная ширина Енисея - 1000 м.

Расчетный слой льда - 5•10³ м,
Проектируемая продолжительность замораживания полыньи - 15 дней (15•24•3600=1,296•10⁶ с.)
Производительность установки по льду (сильноохлажденной воде):
Q = 250•10³•1000•5•10^-3/1,296•10⁶=0,96 м³/с
Требуемая мощность:
P=Q•ρ•(q• ΔT +q_вн = 0,96•1.0•1000•(4,212•4+332)=335 МВт
Вывод: требуемая мощность 335 МВт меньше мощности одного агрегата ГЭС (500 МВт) и существенно меньше установленной мощности ГЭС - 6000 МВт, что позволяет реализовать предлагаемый способ.

Предлагаемый способ обеспечивает получение следующих технических результатов:
1. Уменьшение образования водо-ледяных туманов в атмосфере.

2. Высокопроизводительное образование ледяного покрытия на поверхности реки (исчезновение полыньи).

3. Непрерывность и регулируемость льдообразования.

4. Экологически чистый обогрев ближайших населенных пунктов. Тепло, выделенное в холодильной и компрессорной установках, может быть использовано для обогрева и коммунальных нужд ближайших населенных пунктов. При этом в этих населенных пунктах могут быть сокращены котельные, загрязняющие воздух.

5. Аэрация, обогащение кислородом воды, сбрасываемой ГЭС из глубинных слоев водохранилища.

Таким образом, предлагаемый способ уменьшает экологический ущерб, наносимый гидроэлектростанциями (ГЭС) с глубоким водозабором, эксплуатируемых в северных районах.

Источники информации
1. Можно ли заморозить Енисей. Сборник материалов научно-технической конференции. Дивногорск 27 апреля 1993 г. Изд-во Красноярского университета, 1994 г.

2. Авторское свидетельство СССР. Способ регулирования температурного режима в нижнем бьефе гидротехнического сооружения. N 1798427, МКИ E 02 B 9/04. В.В. Никитин, А.А. Каган.

3. Патент Франции. FR N 2538091 A1, F 25 C 1/00, 22/06/84.

Изобретение предназначено для использования в гидротехнике для гидроэлектростанций с глубоким водозабором, эксплуатируемых в северных районах. При производстве льда на поверхности реки осуществляют принудительное охлаждение потока воды до состояния, близкого к переходу вода - лед. Производят подачу сжатого и охлажденного до температуры воды атмосферного воздуха, затем смещение его с потоком охлажденной воды, формирование воздушно-водо-ледяной смеси и промораживание на морозном воздухе. Разбрызгивание осуществляют в толще потока воды. Изобретение обеспечивает снижение вредных экологических воздействий на окружающую среду. 3 ил.

Способ производства льда на поверхности реки, включающий разбрызгивание и воздействие морозным воздухом над поверхностью реки, отличающийся тем, что перед разбрызгиванием осуществляют принудительное охлаждение потока воды до состояния, близкого к переходу вода - лед, осуществляют подачу сжатого и охлажденного до температуры воды атмосферного воздуха, затем смешение его с потоком охлажденной воды, разбрызгивают воздушно-водяную смесь в толще потока реки с образованием потока воздушно-водо-ледяной смеси и промораживанием этой смеси на морозном воздухе.