Лед

ЛедЛЕД, твердая кристаллическая форма воды. Температура плавления чистого льда при атмосферном давлении принимается, как известно, за нуль температуры в термометре Цельсия. Удельный вес льда при 0°С равен 0,9168 относительно воды при 4°С; в связи с этим при превращении воды в лед при 0°С происходит увеличение объема приблизительно на 9%. Кристаллы льда принадлежат к гексагональной системе. В сплошных массах льда отдельные кристаллы далеко не всегда видны, но часто и в природных условиях, и в лаборатории можно видеть достаточно хорошо выраженные кристаллы. Естественные кристаллы льда обладают весьма разнообразной формой в зависимости от условий их образования. В небольших кусках лед бесцветен, в больших однородных массах (ледниковый лед) имеет голубой цвет.

Рентгенографические исследование структуры льда обнаруживает расположение атомов, соответствующее гексагональной симметрии кристаллов; при этом атомы располагаются т. о., что между ними оказываются довольно значительные пустоты, чем и объясняется большая легкость льда по сравнению с водой. Температура плавления льда при повышении давления понижается. Поэтому, если подвергать лед достаточному давлению, можно вызвать плавление льда при температуре ниже 0°С. Этим объясняется между прочим скользкость льда, т. к. происходящее при надавливании на лед частичное плавление образует как бы смазку, уменьшающую трение. Явление пластичности льда, обнаруживающееся между прочим в медленном течении ледников, объяснялось прежде также частичным плавлением льда. В настоящее время выясняется, однако, что пластичность льда есть свойство, обнаруживающееся у многих кристаллических тел и стоящее вне связи с плавлением. Пластичность, или текучесть, кристаллов заключается в большей или меньшей способности атомных слоев кристалла скользить друг по другу; в результате этого скольжения частей кристалла, которое связано отчасти с их вращением, в массе кристалла возникают остаточные пластические деформаций, превращающие его в агрегат более мелких кристаллов. Такого рода изменения структуры в кристаллической массе льда происходят с особенной легкостью.

Исследования воды при высоких давлениях показали, что твердых форм воды существует несколько. Обычный лед, или лед I, при давлениях выше 2000 atm превращается в лед II или лед III', смотря по температуре: при температурах более низких (ниже -30°С) образуется лед II, при более высоких - лед III'. Оказалось, что лед III' представляет собою менее устойчивую форму льда, стремящуюся при тех же температурах и давлениях превратиться в более устойчивую форму льда III, обладающую более высокой температурой плавления при том же давлении. У льда I есть также свои менее устойчивые формы - лед I', лед I", лед I'", лед IV, имеющие приблизительно то же отношение к льду I, как лед III' к льду III. При еще более высоких давлениях (выше 3700 atm) лед II и лед III превращаются в лед V, который при еще больших давлениях (6300 atm) переходит в лед VI. Давления, при которых происходят превращения льда из одной формы в другую, зависят от температуры. Формы льда II, III', V и VI обладают большим удельным весом, чем вода. Если лед II или лед III' охладить жидким воздухом, то вследствие медленности превращения при низкой температуре можно иметь эти формы льда в неустойчивом состоянии и при атмосферном давлении; они превращаются в лед I' увеличением объема, причем первоначальный кристалл рассыпается в тонкий порошок кристаллических осколков льда I'. Число различных форм льда, существующих при высоких давлениях, нельзя считать установленным, т. к. возможны и другие формы льда помимо известных до настящего времени.

Заготовка натурального льда должна производиться в наиболее холодный и сухой период зимы, причем употребительны следующие способы: а) выколка или вырезка из водоемов; б) намораживание воды; в) накапливание ледяных сосулек. Заготовленный натуральный лед сохраняется в особых льдохранилищах, которые обслуживают жел.-дор. транспорт скоропортящихся продуктов или предназначаются для целей ледосоляного охлаждения. Кроме того льдохранилища являются частью специальных сооружений - ледников.

Заготовка льда из водоемов - рек, озер и прудов - у нас обычно производится самым примитивным способом - выколкой глыб неправильной формы, кабанов, ломами-пешнями и вытаскиванием льдин посредством багров с большой затратой рабочей силы. Для получения таким способом льда требуется на 10 тонн около 0,6 рабочих суток. В зависимости от толщины льда на сани кладется от 2 до 10 кабанов, причем вес их достигает в некоторых случаях до 0,5 т. На подвозку 10 т льда в льдохранилище при расстоянии 3 км требуется от 2 до 3 лошадиных суток. Недопустимо брать лед из заболоченных водоемов с тиной и другими загрязнениями, что делает применение его опасным из санитарно-гигиенических соображений (например, в маслоделии); необходимо обращать внимание на чистоту воды водоема.

При заготовке льда в США в больших размерах предварительно намечают необходимую площадь ледяного поля, подлежащего разработке, в зависимости от количества требующегося льда и определившейся толщины его. Площадь поля для получения 1 т льда при различной толщине его составляет:

led tabl1

Поверхность намеченного участка очищают от снега и на нем посредством ручного плуга делают борозды (глубиною в 2,5 см), которыми поле делится на прямоугольники размерами обычно около 55х80 см. Прорезывание льда производится конной или электрической тягой при помощи плугов с зубьями различной высоты. Так. обр. лед надрезывается в двух направлениях на равные прямоугольники, которые остаются скрепленными в нижней своей части сплошным непрорезанным слоем льда около 10 см для возможности безопасной работы на льде. Для отделения плотов таких надрезанных льдин применяют маховые или дисковые пилы. Для транспортировки льда к льдохранилищу пилами пропиливают канал. Плоты из нарезанных льдин гонят по открытому каналу, разделяют затем на полосы и наконец на отдельные куски. Для этой цели служат ломы в виде вилки с широкими зубьями клинообразной формы для облегчения работы по откалыванию отдельных льдин. Подъем льдин в льдохранилище производится бесконечной цепью; при этом льдохранилище наполняется правильно укладываемыми кабанами с полу до потолка. На фиг. 1 даны инструменты и машины, применяемые для этой заготовки льда: а - скребок, б - бурав, в - ручной плуг, г - плуг-разметчик, д - ледяной конный плуг.

Инструменты и машины, применяемые для заготовки льда

Заготовка льда намораживанием воды является одним из лучших способов, так как получается сплошной ледяной массив без всяких швов и не требуется подвозки льда и большого расхода рабочей силы; лед получается достаточно крепкий, но мутный и слоистый. Такой способ, однако, применим только при соответствующих климатических условиях - при суровой и достаточно продолжительной зиме. Сначала подготовляют нужных размеров площадку с планировкой, изоляцией шлаком и настилом шпал или досок. Затем ее покрывают ровным слоем снега в 40—60 мм, снег утрамбовывают, поливают водой и промораживают. Вокруг образовавшейся ледяной площадки устанавливают борты общей высотой в 500 мм, которые сшиваются из трех обрезных досок-дюймовок. Во избежание утечки воды все щели д. б. заделаны снегом. Около места заготовки льда должен иметься водопровод с ответвлениями по 1 крану на каждые 300 м2 ледяного поля. К выходному отверстию водопровода присоединяется пеньковый рукав, другой конец которого кладется на площадке, причем под него для уменьшения размыва площадки струей воды подкладывается лист железа. Конец рукава по временам перемещают. Намораживание производят при температуре не выше -10°С, наливая на ледяное поле слой воды в 20 мм. При ветре и более низкой температуре слой воды допускается до 30 мм. Продолжительность намораживания слоя воды составляет около 3—5 ч. При намораживании в сутки 3—4 слоев для площадки на 100 м2 выход льда - около 10 м3 ≈ 8,4 т. Когда лед наморожен на высоту первого борта, устанавливают второй борт с отступом внутрь массива на высоту борта, чтобы получить отступы, отвечающие уклону 1:1. После того как наморожен лед во втором борту; борт снимают и готовят для третьего ряда и т. д. (фиг. 2).

Намораживание льда слоями

Высота ледяного массива зависит от климатических условий и для центральной части СССР составляет около 2—3 м, увеличиваясь на восток и достигая в Сибири 4—5 м. Кроме намораживания воды в горизонтальной плоскости иногда применяется устройство вышек для обливания их водой сверху, причем вследствие лучших условий теплоотдачи ускоряется процесс образования льда.

Заготовка льда накапливанием сосулек является единственным возможным способом для местностей с мягкими зимами, когда температура не опускается ниже -2°С и держится непродолжительное время. Такой способ заготовки льда требует устройства специальной деревянной эстакады, состоящей из стоек и горизонтальных рам-обвязок, соединенных на шипах и для большей жесткости железными скобами. Вся эта конструкция образует как бы три яруса, расположенные друг над другом по высоте на расстоянии 2—2,5 м. На рамы кладут через 0,3 м жерди диаметром около 100—150 мм, причем жерди одного яруса располагают перпендикулярно к жердям следующего яруса. К верхнему ярусу эстакады подводится водопроводная труба в 174 дюйма с ответвлениями в 3/4 дюйма через 2—4 м, расположенными в шахматном порядке. Отростки возвышаются над уровнем верхнего яруса на 0,5 м и снабжаются сетчатыми насадками-разбрызгивателями. Для предупреждения излишнего разбрызгивания воды верхний ярус обшивают досками на высоту 0,6 м с уклоном внутрь эстакады. Вода выходит из насадок кверху мелкими струйками, которые, разбрызгиваясь, замерзают по пути к нижнему ярусу и по мере накопления образуют своего рода ледяные сталактиты. Распыление воды и быстрое ее охлаждение и замерзание можно производить также при помощи продырявленных многочисленными отверстиями труб, располагая их по длине эстакады. Во избежание замерзания воды в трубопроводах и разрыва их они д. б. с уклоном к выходному отверстию, причем регулирующий кран д. б. расположен в теплом помещении. Накапливание ледяных сосулек и смерзание их между собой происходит в 2—3 суток, так что объем льда, получаемого с такой эстакады, составляет приблизительно 50% полного объема ее. Лед затем скалывают или спиливают и отвозят в льдохранилище. Очистка эстакады размерами 12x4 м при высоте в 6 м занимает 1 день при 6 рабочих.

Изготовление искусственного льда достигается применением ледоделательной машины, которая представляет холодильную машину, снабженную несколько видоизмененным испарителем-ледогенератором. Искусственный лед по своему внешнему виду допускает следующие подразделения: опаловый лед - мутный, непрозрачный, молочно-белого цвета из-за присутствия в нем воздуха; прозрачный лед с небольшой резко мутной сердцевиной; кристаллический лед - совершенно прозрачный. По своей форме искусственный лед разделяется на лед в блоках, имеющий наибольшее распространение, и лед в плитах. Блоки, или чушки, обыкновенно весом в 12,5 и 25 кг, получаются в форме усеченной пирамиды с прямоугольным основанием; плиты - куски льда больших размеров и веса для последующей их разрезки.

Ледоделательная машина

На фиг. 3 схематически изображена ледоделательная машина, где: 1 - компрессор, 2 - конденсатор, 3 - регулирующий вентиль, 4 - ледогенератор, 5 - ледяные формы и 6 - наполнительный прибор, 7 - мостовой кран, 8 - оттаивательный сосуд, 9 - ледоскат и мешалка-пропеллер. Ледогенератор должен иметь такое расположение испарительных змеевиков, чтобы можно было между ними или над ними поместить ледяные формы. Мешалка-пропеллер заставляет охлажденный рассол циркулировать между формами, которые в больших ледоделательных устройствах соединяют в ряды для выемки их посредством подъемного механизма. Ледяные формы изготовляются из тонкой стали в 1—1,5 мм с совершенно гладкой внутренней поверхностью для легкого отделения блоков льда после оттаивания. Для предохранения от ржавчины формы оцинковывают или лудят. Размеры и вес форм при общей высоте 1115 мм следующие:

led tabl2

Расход холода на производство искусственного льда составляет в среднем ~ 130 Саl/кг. Продолжительность замораживания воды зависит от температуры рассола, температуры воды и размеров формы, колеблясь от 7 до 9 ч. для блоков в 12,5 кг и от 12 до 15 ч. - для 25 кг. Для производства прозрачного льда применяется продувание воздуха в замораживаемую воду посредством тонких трубочек, опущенных в каждую форму, что вызывает перемешивание воды и удаление из нее воздуха. Изготовленный лед поступает в камеру хранения с температурой -3°С и нагрузкой до 1 т/м2.

Ледоделательный завод

Ледоделательный завод (фиг. 4) объединяет машинное отделение, помещение ледогенератора и льдохранилище. В зависимости от суточной производительности завода внешний объем здания его и холодопроизводительность машин составляют:

led tabl3

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 11 - 1930 г.