RU2151975C1 - Method of making ice on river surface - Google Patents

Method of making ice on river surface Download PDF

Info

Publication number
RU2151975C1
RU2151975C1 RU98111559A RU98111559A RU2151975C1 RU 2151975 C1 RU2151975 C1 RU 2151975C1 RU 98111559 A RU98111559 A RU 98111559A RU 98111559 A RU98111559 A RU 98111559A RU 2151975 C1 RU2151975 C1 RU 2151975C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
water
ice
air
river
stream
Prior art date
Application number
RU98111559A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU98111559A (en
Inventor
Д.А. Имануилов
Е.В. Клюева
С.А. Дмитриев
Original Assignee
Красноярский городской аэрокосмический лицей
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Красноярский городской аэрокосмический лицей filed Critical Красноярский городской аэрокосмический лицей
Priority to RU98111559A priority Critical patent/RU2151975C1/en
Publication of RU98111559A publication Critical patent/RU98111559A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2151975C1 publication Critical patent/RU2151975C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

FIELD: hydraulic engineering; hydroelectric stations with deep water intake operated in northern regions. SUBSTANCE: forced cooling of water flow is effected to state of "water - ice". Then compressed atmospheric air cooled to water temperature is fed and is mixed with flow of cooled water, thus forming air-water-ice mixture which is frozen in cold air. Spraying is effected in layer of water. EFFECT: reduction of harmful ecological effects on environment. 3 dwg

Description

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.
The invention relates to hydraulic engineering, in particular for hydroelectric power plants (HPS) with deep water intake, operated in the northern regions. It can be used to reduce the environmental damage caused by this type of hydroelectric power station, namely
the formation in winter of water-ice fog over a long ice-free wormwood in the downstream of hydroelectric facilities, which creates an environmental problem in nearby settlements;
discharge of water from the deep layers of the reservoir, depleted of oxygen.

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). Known methods of selective water intake on dams from the reservoir, aimed at reducing environmental damage. These methods are implemented using movable barriers installed in front of the dam and in the reservoir (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.
The disadvantages of this method are: inefficiency due to the capture of large masses of warm water;
the presence of mobile devices that precede the culverts of the hydroelectric power station and are the source of the emergency situation at the hydroelectric station in the event of a device breakdown;
limited ability to control the processes of ice formation in the downstream and, as a result, the possibility of formation of ice jams and floods in spring.

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). There is also a method of regulating the temperature of water in the downstream of a hydroelectric power station, aimed at reducing environmental damage, based on the spraying of atmospheric air in the river stream after the dam and creating a lightweight surface layer of water in contact with cold atmospheric air (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. The disadvantage of this method is the inefficiency of the reduction of wormwood, caused by the rapid disappearance of the effect of the "light layer", due to the low solubility of air in water, as well as the low heat capacity of air in comparison with the heat capacity of water.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения льда на водной поверхности, включающий разбрызгивание воды и воздействие морозным воздухом над поверхностью (3). The closest in technical essence is a method of producing ice on a water surface, including spraying water and exposure to frosty air above the surface (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.
The disadvantage of this method are:
the formation of water-ice fog in the atmosphere and, as a result, environmental degradation in nearby settlements;
The problem solved by the invention is the reduction of harmful environmental impacts on the environment.

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. The problem is solved by the fact that they produce ice on the surface of the river, including spraying and exposure to frosty air above the surface of the river. New in the proposed solution is that before spraying, the water stream is forcedly cooled to a state close to the water-ice transition, compressed air is supplied, then mixed with a stream of chilled water, the air-water mixture is sprayed in the thickness of the river stream with the formation of a stream of air-water-ice mixture and freezing this mixture in frosty air. The technical result is a continuous and regulated ice formation on the river due to the resources of hydroelectric power stations.

На фиг. 1 представлена структурная схема реализации способа. In FIG. 1 presents a structural diagram of the implementation of the method.

На фиг. 2 представлены теплофизические характеристики процесса замерзания воды. In FIG. 2 shows the thermophysical characteristics of the process of water freezing.

На фиг. 3 представлена зависимость плотности воды и льда в рабочем интервале температур. In FIG. 3 shows the dependence of the density of water and ice in the working temperature range.

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.The method is implemented as follows. Part of the water flow (see Fig. 1) ≅ 1 m 3 / s) after the dam is forcedly cooled (operation 1). The cooling of the water flow is carried out in a powerful refrigeration unit using the resources of the hydroelectric power station - mechanical energy of the water wheel or electrical energy of the generator. The implementation of this operation can be carried out in various types of refrigeration units with mechanical and electrical power supply.

Для того, чтобы заморозить 1 кг воды с температурой +4oC, нужно:
охладить ее до температуры кристаллизации - 0oC, забрав энергию, равную 16 кДж;
отнять 332 кДж для кристаллизации воды, при этом температура остается постоянной и равной 0oC.
In order to freeze 1 kg of water with a temperature of +4 o C, you need:
cool it to a crystallization temperature of 0 o C, taking energy equal to 16 kJ;
take 332 kJ to crystallize water, while the temperature remains constant and equal to 0 o C.

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. Water flow is cooled by contacting it with the cooled working surface of the refrigeration unit to a state close to transition to ice (line A-A, Fig. 2). By selecting the operating point (line AA, Fig. 2), the pre-cooling prevents icing inside the unit. Thus, preparation for freezing and removal of most of the accumulated heat from the water takes place.

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 0oC). 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.At the same time (operation 2), compressed and cooled atmospheric air is supplied. Atmospheric air is compressed to pressures not exceeding the hydrostatic pressure of the hydroelectric power station (8-10 atm), cooled to temperatures close to the temperature of chilled water (about 0 o C). This is realized, for example, using stationary-type air-compressor units with electric power supply, forced cooling, adjustable capacity, and net power, which ensures the displacement of the operating point from line AA to the freezing point of 332 kJ (see Fig. 2), t .e. the final freezing of the chilled water stream in step 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. Then carry out the displacement of air with a stream of chilled water (operation 3). Air is mixed with highly chilled water by gas-liquid mixers. The degree of homogeneity, as well as the proportion of mixing the cooled and compressed air stream with the stream of highly cooled water, is carried out in such a way as to ensure freezing of water during the subsequent operation 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. Then the air-water mixture is sprayed in the thickness of the river stream (step 4) by placing the outlet openings of one or more gas-liquid mixers at depths in the thickness of the river stream. The depth range of the placement of the outlet openings is selected based on the immersion of the outlet openings of the mixers at a low level of water in the river and the elimination of erosion of the bottom by air-water flows escaping from the mixers.

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. When spraying the air-water mixture, the air escaping under pressure expands sharply, contributing to the additional cooling of the water flow. Losing its energy, water begins to crystallize, turning into growing ice crystals. The formation of the ice phase. Thus, at the exit of operation 4, a stream of air-water-ice mixture is formed.

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 0oC меньше плотности воды при +4oC, 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.Having a lower density, the air-water-ice mixture floats to the surface of the river, forming a non-mixing surface layer bordering on frosty air. From this graph it can be seen that the density of water at 0 o C is less than the density of water at +4 o C, so cold water does not mix with warm, but remains on the surface of the river in contact with frosty air. The density of ice is much lower than the density of water. The resulting air-water-ice mixture is carried downstream of the river.

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. Freezing a layer of air-water-ice mixture in frosty air and the formation of a continuous ice cover on the surface of the river (step 5) is as follows. In the surface layer of the air-water-ice mixture, bordering the frosty air, the processes of crystallization of water and the growth of ice floes moved by the river continue. In places of reduced flow velocity (near the coast, at the edge of the ice), the ice begins to freeze, forming a continuous coating on the surface of the river. Gradually, ice covers the entire wormwood.

1. Расчет требуемой мощности охлаждения:
Длина незамерзающей части Енисея - 2500•103 м
Расчетная ширина Енисея - 1000 м.
1. Calculation of the required cooling power:
The length of the non-freezing part of the Yenisei is 2500 • 10 3 m
The estimated width of the Yenisei is 1000 m.

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
Требуемая мощность:
P=Q•ρ•(q• ΔT +qвн = 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.
The estimated ice layer is 5 • 10 3 m,
The designed duration of freezing of wormwood is 15 days (15 • 24 • 3600 = 1.296 • 10 6 s.)
Installation capacity on ice (highly chilled water):
Q = 250 • 10 3 • 1000 • 5 • 10 -3 / 1.296 • 10 6 = 0.96 m 3 / s
Power required:
P = Q • ρ • (q • ΔT + q int = 0.96 • 1.0 • 1000 • (4.212 • 4 + 332) = 335 MW
Conclusion: the required capacity of 335 MW is less than the power of one unit of a hydroelectric power station (500 MW) and significantly less than the installed capacity of a hydroelectric power station - 6000 MW, which allows us to implement the proposed method.

Предлагаемый способ обеспечивает получение следующих технических результатов:
1. Уменьшение образования водо-ледяных туманов в атмосфере.
The proposed method provides the following technical results:
1. Reducing the formation of water-ice mists in the atmosphere.

2. Высокопроизводительное образование ледяного покрытия на поверхности реки (исчезновение полыньи). 2. High-performance formation of ice cover on the surface of the river (disappearance of wormwood).

3. Непрерывность и регулируемость льдообразования. 3. The continuity and adaptability of ice formation.

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. 4. Environmentally friendly heating of the nearest settlements. The heat released in the refrigeration and compressor units can be used for heating and communal needs of the nearest settlements. Moreover, boiler houses polluting the air can be reduced in these settlements.

5. Аэрация, обогащение кислородом воды, сбрасываемой ГЭС из глубинных слоев водохранилища. 5. Aeration, oxygen enrichment of water discharged by hydroelectric power plants from the deep layers of the reservoir.

Таким образом, предлагаемый способ уменьшает экологический ущерб, наносимый гидроэлектростанциями (ГЭС) с глубоким водозабором, эксплуатируемых в северных районах. Thus, the proposed method reduces the environmental damage caused by hydroelectric power plants (HPS) with deep water intake, operating in the northern regions.

Источники информации
1. Можно ли заморозить Енисей. Сборник материалов научно-технической конференции. Дивногорск 27 апреля 1993 г. Изд-во Красноярского университета, 1994 г.
Sources of information
1. Is it possible to freeze the Yenisei. Collection of materials of a scientific and technical conference. Divnogorsk April 27, 1993. Publishing House of the Krasnoyarsk University, 1994

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. 2. Copyright certificate of the USSR. A method of regulating the temperature in the downstream of a hydraulic structure. N 1798427, MKI E 02 B 9/04. V.V. Nikitin, A.A. Kagan.

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

Claims (1)

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. A method of producing ice on a river surface, including spraying and exposure to frosty air above the river surface, characterized in that prior to spraying, the water stream is forcedly cooled to a state close to the water-ice transition, compressed and cooled atmospheric air is supplied, then mixing it with a stream of chilled water, spray the air-water mixture in the thickness of the river flow with the formation of a stream of air-water-ice mixture and freezing this mixture on frosty air.
RU98111559A 1998-06-16 1998-06-16 Method of making ice on river surface RU2151975C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98111559A RU2151975C1 (en) 1998-06-16 1998-06-16 Method of making ice on river surface

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98111559A RU2151975C1 (en) 1998-06-16 1998-06-16 Method of making ice on river surface

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU98111559A RU98111559A (en) 2000-03-20
RU2151975C1 true RU2151975C1 (en) 2000-06-27

Family

ID=20207388

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU98111559A RU2151975C1 (en) 1998-06-16 1998-06-16 Method of making ice on river surface

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2151975C1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Можно ли заморозить Енисей. Сборник материалов научно-технической конференции. Дивногорск, 27.04.93, - Издательство Красноярского университета, 1994. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2007238919B2 (en) Desalination method and system using compressed air energy systems
US8863547B2 (en) Desalination method and system using compressed air energy systems
US8695360B2 (en) Desalination method and system using compressed air energy systems
CA1255916A (en) Forced refreezing method for the formation of high strength ice structures
US3331207A (en) Method and system for collecting and distributing water
US3083538A (en) Apparatus for maintaining a body of water free of ice
JPH0227584B2 (en)
RU2151975C1 (en) Method of making ice on river surface
CA1253703A (en) Rapid construction of ice structures with chemically treated sea water
RU2292420C2 (en) Method of ice-hole creation in flowing water reservoir surface
KR101187376B1 (en) Apparatus and method for the artificial icing over water surface
RU2063382C1 (en) Method of desalting saline lakes
JP3667833B2 (en) Large-scale snow melting facility using rotating water spray pipes
RU1808076C (en) Ice construction freezing-on method and device
KR101981434B1 (en) Seawater concentration tank, apparatus for producing snow removal using sea water and the driving method thereof
JPS6020523B2 (en) Snow removal method using heat pump system and its snow removal device
AU2014202087B2 (en) Desalination method and system using a continuous helical slush removal system
RU2709759C1 (en) Device for formation of ice-hole on ice surface of water basin
JP2003225674A (en) Apparatus for promoting cleaning of water
Hambrey Sudden draining of ice-dammed lakes in Spitsbergen
RU2162919C2 (en) Method of cooling the circulating water in cooling pond
SU1059050A1 (en) Method and apparatus for paperforming engineering work with ice
SU1684573A1 (en) Method for production of monolithic ice
Ofner et al. Pumps and valves for snow generation
SU1715944A1 (en) Method to clean water in earth spoil banks