СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К СТРОИТЕЛЬСТВУ АВТОЗИМНИКА

MODERN APPROACHES TO THE CONSTRUCTION OF A WINTER CAR PARK

Ilya Yelkin

student, Department of Road Construction Machinery, Moscow Automobile and Road Construction State Technical University,

Russia, Moscow

Natalia Tagieva

 Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Moscow Automobile and Road Construction State Technical University,

Moscow, Russia

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются особенности развития Арктики с точки зрения обеспечения транспортной инфраструктуры. Строительство асфальтированных или бетонных дорог в северных регионах дорого, требует больших затрат на материалы, обслуживание и не всегда оправдано. В таких случаях возведение дорог из снега и льда позволяют прокладывать маршруты по непреодолимым препятствиям. Рассматривается возможность применения устройств со сверх высокими частотами при строительстве автозимника, для обогрева и поддержания температуры снега. Изучены свойства снега, выявлены основные параметры, которые влияют на его характеристики: структура, толщина, плотность, температура, влажность и диэлектрическая проводимость снежного полотна.

В ходе проведения работы создана теоретическая модель возможного устройства для плавки снега в условиях сурового севера.

ABSTRACT

The article examines the specifics of the Arctic's development in terms of providing transport infrastructure. The construction of paved or concrete roads in the northern regions is expensive, requires high costs for materials and maintenance, and is not always justified. In such cases, the construction of roads made of snow and ice allows you to build routes through insurmountable obstacles. The possibility of using devices with ultra-high frequencies in the construction of a winter car park, for heating and maintaining snow temperatures is being considered. The properties of snow have been studied, and the main parameters that affect its characteristics have been identified: structure, thickness, density, temperature, humidity, and dielectric conductivity of the snow sheet. In the course of the work, a theoretical model of a possible device for melting snow in the harsh north was created.

Ключевые слова: нагрев покрытия, излучение, строительство автозимника.

Keywords: coating heating, radiation, construction of a winter shelter.

Введение

Развитие строительства дорог из снега несёт очень важное значение для жителей северных регионов. В данный момент идёт активное развитие Арктики где требуется постройка автозимников, как единственного доступного способа связи поселений. Дороги из снега и льда создаются для возможности обеспечения грузоперевозок и передвижения автомобилей в суровых зимних условиях [1]. Используя снежные трассы люди могут проезжать даже по самым сложным маршрутам и непреодолимым препятствиям. Строительство асфальтированных или бетонных дорог в северных регионах очень дорого и требует больших затрат на материалы и обслуживание. В то же время, дороги из снега могут быть построены с меньшими затратами, с использованием местных ресурсов.

На сегодняшний день основными приспособлениями для постройки автозимника являются: бульдозеры с отвалом и волокушей, помимо этого применяются поливочные машины (рис. 1) [2].

Рисунок 1. Строительство автозимника с применением поливомоечной машины

Постройка дорог из снега недостаточно изученная тема, которая требует значительных улучшений и нововведений. Использование традиционных методов строительства дорог не всегда является целесообразным. Изучение и улучшение технологий строительства автозимников позволит создавать качественные и безопасные пути и облегчит их содержание.

В задачи данного исследования входит проверка возможности использования СВЧ устройства для плавки снега и дальнейшего внедрения в строительную отрасль.

Анализ конструкции, обеспечивающей уплотнение снежного покрова

Для строительства дорог из снега и льда предлагается рассмотреть возможность использования СВЧ оборудования (рис. 2) для создания условий лучшего уплотнения снежного покрова. Принцип работы, например, микроволновой печи, которая является бытовым электроприбором, предназначен для разогрева, размораживания или готовки пищи. Волны, испускаемые СВЧ устройством, могут действовать как на поверхность, так и по всему объему разогреваемого вещества [3].

Открытие свойств микроволновой печи состоялось, когда в 1947 году американский инженер Перси Спенсер обнаружил способность сверхвысокочастотного излучения к нагреванию продуктов [4]. Он заметил эту особенность во время эксперимента с магнетроном.

Современная микроволновая печь состоит из нескольких компонентов:

1) металлической камеры с металлической дверцей, внутри которой концентрируется СВЧ излучение, контроль процесса нагрева внутри микроволновой печи возможен через стеклянные или пластмассовые пластины с перфорированной металлической сеткой;

2) магнетрона, являющегося ключевым компонентом, генерирующим микроволновое излучение, для работы которого необходимо высоковольтное питание около 3…4 кВ, что обеспечено установкой трансформатора, являющегося источником высоковольтного питания;

3) цепей управления и коммутации, обеспечивающих правильное функционирование прибора;

4) волновода используемого для передачи СВЧ излучения от магнетрона к камере микроволновой печи [4].

Рисунок 2. Разрабатываемая конструкция рабочего оборудования для обеспечения уплотнение снежного покрова

Среднестатистическая рабочая частота микроволновой печи составляет 2500 МГц. Под воздействием микроволн молекулы вещества меняют свою полярность около 5 миллиардов раз в секунду. Эта частота смены полярности приводит к трению молекул друг о друга с выделением тепла.

Снег представляет собой дисперсное тело, в котором существуют как хрупкие и необратимые связи, так и пластичные и необратимые связи. Одним из способов использования СВЧ устройств для строительства автозимника может быть поддержание температуры снега, чтобы сохранить его снежную структуру и плотность. Это может быть особенно полезно при создании и поддержании ледового покрытия на дорогах или площадках [5].

Итого в снеге может находится сразу несколько состояний воды: жидкая, твердая и газообразная. При переходе от одного состояния в другое у снега меняются его свойства и способность проводить электрические волны (рис.3). В такой момент в снеге происходят различные процессы: сублимация, фирнизация и др. [6].

Рисунок 3. Зависимость диэлектрической проницаемости снега от влажности [9]

Зерна снега имеют свойство изменяться в размере, а это происходит из-за того, что внутри него протекают процессы смерзания и таяния. На это влияет как температура окружающей среды, так и разница температур между слоями снежного покрова. Данный процесс называется перекристаллизацией. Чем больше размер зерна, тем больше тепла передаётся благодаря конвекции.

При создании зимников необходимо учитывать вид уплотняемого снега, что может определяться его классификацией [6]:

1. фрикционно связной – с низким процентом содержания воды с плотностью 0,2-0,35 г/см³;

2. фрикционно сыпучий – низкая связь между зернами и плотностью 0,01-0,3 г/см³;

3. связной снег – влажный снег с высокой пластичностью имеет плотность 0,35-0,45 г/см³;

4. наст – это ледяная корка, образованная из-за растаявшего снега 0,6-0,7 г/см³.

Использование СВЧ оборудование для плавки снега позволит внутри нагреваемого материала образовываться коллоидным связям с последующей перекристаллизацией из-за трения между молекулами.

Установлено, что СВЧ нагрев снижает эффект рекристаллизации льда, а также температуру кристаллизации. Все происходит из-за распада связей между кристаллами. Эффективность диссоциации воды одинакова для различных частот (2,5 и 10 ГГц) [6].

Анализ показал, что при устройстве автозимника плотность снега в верхних слоях должна достигать не менее 0,6 г/см³. Часто повышение плотности снега достигается путем, закладывания палок и веток в слои [2].

Недостатком использования предлагаемого оборудования является то, что в солнечную погоду часть радиации проникает в снежный покров, где из-за оптической неоднородности снега она рассеивается. В результате нагрев снега используя СВЧ излучение теряет свою эффективность. Коэффициент излучения чистого снега составляет около 1, то есть он выше коэффициента излучения воздуха (около 0,8) при ясном небе [7]. Поэтому становится понятно, что при температуре воздуха ниже нуля поверхность снега способна излучать больше длинноволнового излучения, чем получает.

При температурах воздуха выше нуля входящее длинноволновое излучение может быть больше исходящего длинноволнового излучения, которое имеет верхний предел (около 312 Вт·м-2), соответствующий максимальной температуре 0°C при ε=1 [8].

Моделирование эксперимента

Для того чтобы понять, как устроен объект и его структура, проведён эксперимент в соответствии с гипотезой: излучение СВЧ устройством повысит скорость создания уплотненной поверхности из снега. Наилучший способ уплотнения включает себя использование виброкатков, для достижения более высоких показателей снег должен быть влажным, так как возникают коллоидных связи за счёт использования СВЧ излучения.

С помощью высоких частот можно расплавить снег до нужной структуры, чтоб последующее уплотнение было не только лучше, но и качество уплотнённого снега было выше. Принято решение, что оптимальная температура для проведения эксперимента с сухим снегом должна быть ниже -15 градусов Цельсия, а для проведения эксперимента с влажным снегом необходимо дождаться оттепели, когда снег начнет таять.

Проведение эксперимента

Проведен эксперимент для определения скорости таяния снега с использованием СВЧ оборудования. В качестве установки использовалась микроволновая печь фирмы Hyundai 2011 года выпуска. На рисунке 3 показано, что с увеличением содержания воды в снеге скорость накопления энергии растёт, то есть снег плавится быстрее.

Температура окружающей среды на момент эксперимента с сухим снегом составила -12 ^оС. А при сборе влажного температура не превышала -3 ^оС. Снег набирался в форму размером 10х10х5 см. Объем составил 500 см³.

В эксперименте измерялось время, за которое «сухой» и «влажный» снег начнет переходить в жидкую фазу. Для точности измерения эксперимент проводился несколько раз до того момента пока не было найдено оптимальное значение. Мощность микроволновой печи изменялась вручную от 850 кВт до 1250 кВт. Для измерения времени использовался секундомер.

Подготовленный снег, взятый с улицы, укладывался в пластиковый одноразовый контейнер. Исследуемый образец помещался в микроволновую печь, закрывалась защитная дверца, а затем устанавливалась мощность. Данные полученные в ходе эксперимента сведены в таблицу 1, после обработки результатов выполнен расчёт среднего арифметического числа и получены оптимальные значения.

Таблица 1

Результаты эксперимента с таянием сухого снега

Эксперимент № 1 нельзя считать точным, так как требовалось время для переноса снега с улицы в помещение где находилась экспериментальная установка. Поэтому предлагается скорректировать полученные значения, увеличив время на 3 с (табл. 2).

Таблица 2

Результаты с учетом изменений

По результатам эксперимента в микроволновой печи (рис. 4) видно, что с увеличением мощности уменьшается время необходимое на переход снега из твердой фазы в жидкую. Исследования доказывают, что повышенное содержание воды в снеге влияет на процесс таяния. Чем больше процентное содержание воды, тем быстрее снег растопится.

Рисунок 4. Результаты эксперимента таяния снега

Разрабатываемая конструкция рабочего оборудования (рис. 2) требует испытаний в реальных условиях. После проведения эксперимента в лабораторных условиях, можно считать, что данная разработка имеет потенциал в сфере строительства зимних дорог.

По результатам экспериментальных исследований возможно предположить примерную скорость прохождения машины с навесным оборудованием разрабатываемой конструкции в виде экспериментальной установки для таяния и последующего уплотнения снега, которое составит 1 км/ч.

Вывод

Для условий севера необходимо строить дороги из снега и льда. Дороги из снега позволяют обеспечить протяжённые и удобные маршруты, которые позволяют избежать непреодолимых препятствий и ускорить передвижение.

Нахождение воды в граничных условиях при переходе в другое агрегатное состояние ускоряет процесс таяния, так как разрушаются связи между кристаллами и увеличивается диэлектрическая проводимость. Использование экспериментального СВЧ устройства с большей мощностью чем у микроволновой печи не только упростит, но и улучшит процесс уплотнения снега. Исследование показало, что использование излучателя с мощностью как у микроволновой печи, мало полезно, так как требуется уплотнять длинные участки дороги, но данном этапе скорость очень мала.

Применение СВЧ оборудования требует учета нескольких характеристик снега: скорости излучения, альбедо снега, изменения глубины снежного покрова и плотности снега в зависимости от распределения снежного покрова. С изменением соотношения снега, воды и газов меняется и плотность. Плотность снега может находится в диапазоне от 0,1 до 0,7 г/см³. На обветриваемых участках плотность значительно выше, что следует учесть в дальнейших исследованиях с использованием экспериментальной установки.

Список литературы:

1. Куклина, В. В. Роль зимников в обеспечении транспортной доступности арктических и субарктическихрайонов Республики Саха (Якутия) / В. В. Куклина, М. Е. Осипова // Общество. Среда. Развитие. – 2018. – № 2(47). – С. 107-112. – EDN XYBZAD.
2. Агапов, М. Г. "На зимнике своя жизнь": антропология транспортной мультимодальности / М. Г. Агапов // Журнал социологии и социальной антропологии. – 2021. – Т. 24, № 1. – С. 168-203. – DOI 10.31119/jssa.2021.24.1.7. – EDN ZDYUPE.
3. Нуянзина, В. Зимник-2018 Браунфилд - новые перспективы для полуострова / В. Нуянзина, А. Кострубова // Проект Байкал. – 2018. – Т. 15, № 55. – С. 70-79. – DOI 10.7480/projectbaikal.55.1289. – EDN ENADWS.
4. (2020) Принцип работы и внутреннее устройство микроволновой печи. Available at: https://tehnika.expert/dlya-kuxni/mikrovolnovaya-pech/princip-raboty-i-ustrojstvo-2.html?ysclid=lqfjdzgt4r982902183 (Accessed: 21 December 2023).
5. Сулейманов, А. А. Зимники в транспортной системе Якутии в XIX - начале ХХ в / А. А. Сулейманов // Гуманитарные и социально-экономические науки. – 2022. – № 5(126). – С. 22-27. – DOI 10.18522/1997-2377-2022-126-5-22-27. – EDN TXLOUS.
6. Артеменко, В. А. Повышение эффективности уплотнения снега при строительстве зимников, обустройстве грунтовых аэродромов, трубопроводов и месторождений нефти и газа / В. А. Артеменко, Ю. Г. Серебреникова, Д. Д. Селин // Наземные транспортно-технологические средства: проектирование, производство, эксплуатация : Материалы I Всероссийской заочной научно-практической конференции, Чита, 25–28 октября 2016 года / Ответственный редактор С.П. Озорнин. – Чита: Забайкальский государственный университет, 2016. – С. 199-203. – EDN YJEVVP.
7. Летний "зимник-2022" / С. Александров, Е. Овденко, Н. Боровикова [и др.] // Проект Байкал. – 2022. – Т. 19, № 73. – С. 7-13. – DOI 10.51461/pb.73.03. – EDN ERAWWR.
8. ГОСТ Р 58948-2020 (no date) Главная. Available at: https://gostassistent.ru/doc/db21e3fa-7de2-426e-940d-e63c9f90fa0b?ysclid=lqfjh0xd29918226270 (Accessed: 21 December 2023).
9. Авдеюк, Д. Н. Влияние климатических факторов на изменение параметров линии электропередачи / Д. Н. Авдеюк. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2019. — № 48 (286). — С. 32-35. — URL: https://moluch.ru/archive/286/64574/ (дата обращения: 19.02.2024).