Как замедлить процесс замерзания лунки

Устройство для предотвращения замерзания лунки

Устройство для предотвращения замерзания лунки

Полезная модель относится рыболовству, а именно, к зимней ловле рыбы на удочку через просверленную во льду лунку, и может быть использована как в случае пресноводной, так и морской рыбалки. Полезная модель обеспечивает устранение наледи в лунке и на леске в течение всего времени рыбной ловли, повышение комфортности и упрощение процесса рыбной ловли в зимних условиях.

Устройство для предотвращения замерзания лунки, содержащее источник тепла для нагрева воды, отличающееся тем, что источник тепла выполнен с использованием химической реакции, преимущественно в виде термохимической грелки, внутри которой находится экзотермическая композиция, нагревающаяся преимущественно от 5 до 90 о С.

Устройство содержит: автономный термохимический источник тепла, непотопляемый корпус для нагрева воды.

Устройство для предотвращения замерзания лунки

Предлагаемая полезная модель относится рыболовству, а именно к зимней ловле рыбы на удочку через просверленную во льду лунку, и может быть использована как в случае пресноводной, так и морской рыбалки.

Из практики зимней рыбалки известно, что при температуре воздуха t о снаружи лунки меньше нуля о С лунка покрывается наледью, т. е. открытая вода постепенно покрывается льдом. Например, при t о =-10 о С лунка покрывается льдом примерно за 20 минут. При этом леска также покрывается льдом из-за ее перемещений ее вверх-вниз и прочих манипуляциях, осуществляемых рыбаком для привлечения рыбы. Для очистки лунки ото льда и, в ряде случаев, снега, наметаемого ветром, рыбак периодически использует черпак или шумовку, представляющую собой сетчатую или стальную с отверстиями поварешку, диаметром около 0,1 метра с непотопляемой деревянной или пенопластовой ручкой длиной до 0,5 метра – аналог. Кроме того, иногда рыбак сверлит несколько лунок для ловли рыбы на расстоянии несколько десятков метров друг от друга, периодически их обходит и очищает.

Недостатком черпака или шумовки является то, что во-первых, они не устраняют принципиальную возможность появления льда в лунке и на леске, поэтому необходимо их периодически использовать, по меньшей мере, несколько раз в час для очистки каждой лунки, что при отрицательных температурах окружающей среды усложняет процесс ловли рыбы. Во-вторых, требуется непрерывно, в среднем 2 ч 4 раза за один час, использовать черпак или шумовку чтобы очистить даже одну лунку, для чего необходимо затратить 0,5 ч 2 минуты и, кроме того, потом очистить ото льда черпак или шумовку. В третьих, если при этом рыба уже «клюнула» и находится на крючке, есть вероятность, что она сорвется с крючка и рыбак не успеет ее вытащить до того, как лунка будет очищена ото льда. В четвертых, наледь на леске при этом сохраняется, что ограничивает ее гибкость и возможность каких-либо манипуляций с леской, например, ее подергиваний для привлечения рыбы. Это требует малокомфортной и отрицательно влияющей на здоровье из-за переохлаждения рук рыбака периодической очистки лески преимущественно голыми руками, поскольку использование рукавиц усложняет процедуру такой очистки.

Известна конструкция термохимической грелки(US 4516564), состоящая из воздухопроницаемой пленки с отверстиями и заслонками, открывающими эти отверстия для проведения термохимической реакции.

В настоящее время изобретения, касающиеся устройства грелок, включающие ссылки на вышеуказанный патент являются модернизацией этого изобретения, направленной на улучшение показателей стабильности тепловыделения, путем подбора состава шихты, либо путем совершенствования системы доступа воздуха.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство, описанное в патенте на полезную модель RU 128964 – прототип.

Недостатком прототипа является сложность конструкции, нестабильность электрических элементов питания при низких температурах, необходимость закреплять устройство за край лунки, отсутствие плавучести на поверхности воды, а так же ненадежность электрических составляющих при низких температурах.

Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение устранения наледи в лунке и на леске с устойчивой и длительной работой в течение всего времени рыбной ловли, повышение комфортности и упрощение процесса рыбной ловли в зимних условиях.

Поставленная задача решается с помощью полезной модели устройства для предотвращения замерзания лунки.

Устройство для предотвращения замерзания лунки, содержащее источник тепла для нагрева воды, отличающееся тем, что источник тепла выполнен с использованием химической реакции, преимущественно в виде термохимической грелки, внутри которой находится экзотермическая композиция.

Предлагаемая полезная модель обеспечивает технический результат в виде устранения наледи в лунке и на леске в течение всего времени рыбной ловли, вплоть до 12ч16 часов, путем постоянного подогрева верхнего слоя воды в лунке, а кроме того повышение комфортности за счет непотопляемости и заключенного в один корпус устройства и упрощение процесса рыбной ловли в зимних условиях.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами:

Фиг. 1. Блок-схема устройства для предотвращения замерзания лунки;

Фиг.2. Блок-схема термохимической грелки (US 4516564)».

Устройство для очистки лунки от наледи, приведенное на фиг.1, содержит: автономный термохимический источник тепла 1, Шихта 2, Лунка 3, Верхний уровень воды 4, Удочку 5, Леска 6.

Автономный источник тепла 1 представляет собой в оптимальном варианте одноразовую термохимическую грелку, например, грелку описанную в патенте US 54516564. Аналогичными параметрами обладают отечественные автономные источники тепла «Аист», используемые для согревания человека на холоде в метеорологической, геофизической и аварийно-спасательной одежде структур МЧС, МВД, Минобороны, например, в спасательных жилетах, перчатках или стельках обуви. Описываемая термохимическая грелка работает следующим образом: после удаления упаковки кислород поступает внутрь емкости с экзотермической композицией, в течении 10 минут грелка выходит на температуру рабочего режима 50 о С и устойчиво поддерживает температуру в течении 14 часов. Заявленное устройство действует по аналогичной схеме. Поскольку требуемая температура t о источника тепла 1 для нагрева воды 4 в установившемся состоянии на 5 ч 15 о С больше, чем требуемая температура t о >0 о С верхнего уровня воды 4 в лунке 3, дополнительное тепловыделение, обусловленное собственно автономным источником тепла 1, повышает КПД устройства для предотвращения замерзания лунки и может увеличить время его использования. Блок для нагрева воды 1 выполнен с учетом необходимости выуживания рыбы без его выемки из лунки, например, в виде цилиндрического или яйцеобразного корпуса и имеет рабочую температуру, преимущественно от 5 до 90 о С. Это позволяет обеспечить равномерность подогрева верхнего уровня воды 4 в лунке 3. Автономный источник тепла 1 и блок с шихтой (экзотермической композицией) 2 погружены в верхний уровень воды или несколько ниже верхнего уровня воды 4 в лунке 3. Для каждой лунки 3, в случае, когда их несколько, используют соответствующее числу лунок количество устройств для предотвращения замерзания лунки.

Устройство для предотвращения замерзания лунки работает следующим образом.

После высверливания лунки 3 автономный источник тепла 1 погружается в воду (в лунку. В зависимости от температуры воды и окружающего воздуха время активации термохимической грелки равно единицам – десяткам минут. Например, для автономного источника тепла «Аист» это время составляет 10ч15 минут. После того, как температура верхнего уровня воды 4 в лунке 3, подогреваемого устройством 1, станет положительной, наледь в лунке 3 не появляется, а снег, возможный в случае снегопада, при попадании в лунку 3 растает. Соответственно, наледь на леске 6 при манипуляциях с ней и удочкой 5 для зимней рыбалки либо совсем отсутствует, либо становится существенно меньше. Подобные условия, реализуемые в течение всего времени рыбной ловли, обеспечивают повышение комфортности, устраняют переохлаждение рук рыбака и упрощают процесс рыбной ловли в зимних условиях.

Таким образом, использование полезной модели предлагаемого устройства для предотвращения замерзания лунки обеспечивает решение вышеуказанной задачи.

Устройство для предотвращения замерзания лунки, содержащее источник тепла для нагрева воды, отличающееся тем, что источник тепла выполнен с использованием химической реакции, преимущественно в виде термохимической грелки, внутри которой находится экзотермическая композиция.

Механизм вымерзания воды (теория кристаллообразования)

Поскольку в воде продукта растворены минеральные и органические вещества, фазовое превращение начинается при отводе тепла в момент нарушения состояния переохлаждения. При этом понижение температуры сопровождается соответствующим изменением концентрации жидкого раствора.

Криоскопическая температура зависит от концентрации раствора, степени диссоциации растворенных веществ и свойств растворения. Криоскопическая температура продуктов животного происхождения ниже 0°С.

При замораживании разбавленных растворов вначале вымерзает чистая вода. Количество воды в мясе убойных животных составляет 53-75%, а в рыбе — 55-80%. По существующей классификации в пищевых продуктах различают связанную (гидратационную) и свободную воду. Содержание связанной воды почти постоянно и составляет около 10% ее общего количества в продукте. Дипольные частицы воды посредством адсорбции прочно связаны с ионами и полимерными группами белков. При замораживании продуктов связанная вода не участвует в фазовых превращениях.

Свободная вода находится в межклеточном пространстве продукта и является растворителем минеральных веществ. При температурах ниже криоскопической она превращается в лед. По мере вымораживания свободной воды увеличивается концентрация солей в незамерзшем межклеточном растворе, что приводит к смещению криоскопической температуры в область более низких температур. При этом вымораживание воды происходит постепенно, с повышением концентрации оставшегося раствора. При достижении концентрации, определенной для даннoгo раствора (тканевого сока), он весь застывает в сплошную твердую массу, называемую эвтектикой; температура ее образования называется эвтектической.

В холодильной технологии воду, перешедшую в твердое состояние, принято называть вымороженной. Экспериментально установлено, что примерно три четверти воды, содержащейся в мясе, птице, рыбе и яйцах, и до половины — в картофеле вымораживается при температуре до −4°С. Считается, что полное вымораживание свободной воды продовольственных продуктов происходит при снижении их температуры до −30°С.

На качество замороженных продуктов большое влияние оказывают размер, форма и распределение кристаллов льда, образующихся в продукте при замораживании. Характер кристаллообразования зависит от состояния клеточных оболочек, концентрации растворенных веществ в клетках, степени гидратации белков и других свойств продукта. Большое значение имеет также скорость замораживания.

Скорость замораживания определяется быстротой продвижения границы раздела между жидкой и отвердевшей фазами от поверхности замораживаемого продукта к его термическому центру. Следует различать среднюю скорость замораживания и номинальную.

Хорошие результаты обеспечивает скорость замораживания, при которой продолжительность действия критических температур не превышает 30 мин.

При медленном замораживании сначала образуются кристаллы льда из внеклеточного тканевого сока относительно невысокой концентрации. Повышенное давление пара над переохлажденной, но еще не затвердевшей жидкостью внутри клетки вызывает диффузию водяного пара через стенки клеток, что приводит к образованию крупных кристаллов льда, травмирующих ткани, медленное замораживание приводит к полной потере свободной воды внутри клеток (процесс криоосмоса или криоконцентрации). В замороженной таким образом ткани внутри клеток, потерявших упругость, находится незамерзший раствор, а весь образовавшийся лед — вне клеток. При этом количество поврежденных клеток превышает 70%.

При быстром замораживании образуются мелкие кристаллы льда, которые равномерно распределены по всей толще замораживаемого продукта. Воды почти без перемещения переходит в лед по месту ее нахождения до замораживания. При этом травмирующее действие кристаллов на клетки и ткани минимально.

При ультрабыстром замораживании 90% всех кристаллов льда формируется внутри клеток при минимальном повреждении ткани. Существует несколько теорий, объясняющих механизм повреждения клеток и тканей при замораживании различными повреждающими факторами:

  • механический — из-за давления образующихся кристаллов льда
  • на строение тканей;
  • осмотический — вследствие чрезмерной дегидратации клеток; химический — за счет гиперконцентрации солей как вне, так и
  • внутри клеток.
  • Все эти факторы являются результатом кристаллизации воды и
  • перехода ее в лед.

В последнее время наибольшее распространение получили две теории — механическая и солевой денатурации. Механическая теория утверждает, что разрушение клеток вызывается механическим действием кристаллов льда, особенно внутриклеточных.

При медленном замораживании процесс кристаллообразования начинается при определенной температуре (ниже криоскопической) прежде всего в межклеточных и межволоконных пространствах, имеющих более высокую криоскопическую точку из-за меньшей концентрации солей и органических веществ и слабее связанных водой с гидрофильными коллоидами продукта.

Появление кристаллов льда приводит к увеличению концентрации веществ в слое раствора, прилегающем к поверхности кристалла. Вследствие разности концентраций раствора внутри и вне клеток возникают отток влаги из волокон и клеток и намораживание ее на поверхности кристаллов.

Расширение воды при превращении ее в лед приводит к сдавливанию волокон и клеток, что вызывает дополнительный отток воды из них. Этот процесс продолжается до тех пор, пока температура не станет достаточно низкой, чтобы началось кристаллообразование внутри волокон и клеток, где остается уже небольшое количество влаги в концентрированном растворе.

При быстром замораживании теплоотвод происходит более интенсивно. Прежде чем успеет интенсивно развиться миграционный процесс, температура внутри волокон и клеток становится достаточно низкой, чтобы там в соответствии с концентрацией раствора началось кристаллообразование. Таким образом, быстрое замораживание приводит к затвердеванию влаги без значительного перераспределенния ее.

Повышение скорости замораживания сокращает миграцию влаги, вызывает образование большого количества мельчайших кристаллов, равномерно размещенных как в межклеточном пространстве, так и в самих клетках.

Стекловидное состояние отличается от кристаллического тем, что молекулы вещества распределяются хаотически, а не по определенному стереометрическому плану, как это происходит при кристаллизации.

При стекловидном состояния ткань приобретает некоторые свойства твердого тела. Это состояние менее устойчиво в термодинамическом смысле, поэтому со временем при небольшом повышении температуры наблюдается постепенный переход из стекловидного к кристаллическому состоянию, сопровождающийся небольшим выделением тепла (девитрификация).

При витрификации, помимо аморфного (стекловидного) льда, образуется небольшое количество мельчайших кристаллов льда, неуловимых при оптических методах исследования. Это явление получило название «аморфизация».

Стекловидную массу можно сохранить только при температуре ниже-130°С. При быстром нагревании стекловидное состояние может перейти в жидкое, минуя кристаллическое. Таким образом, минуя структурный распад, который наступает после внутриклеточной кристаллизации, а также при внутренней миграционной перекристаллизации после первоначального процесса замораживания можно с помощью сверхбыстрого охлаждения предотвратить гибель клеток и достигнуть обратимости процесса, от которого зависит максимальное сохранение качества продукта.

Теория солевой денатурации основывается на том, что в процессе льдообразования происходит перераспределение влаги в здании и увеличивается концентрация солей в клетках.

Под действием повышенной концентрации солей и ряда химических и коллоидных процессов происходят денатурационные изменения белковых веществ. При медленном замораживании концентрация солевых растворов в продукте выше и время их воздействия больше. А степень денатурации белков зависит от времени воздействия на них гипертонических растворов. При сверхбыстром замораживании это время сводится к минимуму.

Читайте также:  Как зимой приманить рыбу

Денатурация белков происходит при температурах, близких к точке эвтектики растворов, и падении рН. Изменение величины рН в биологическом объекте при замораживании приводит к изменениям активности ферментов и скорости денатурации белка.

Однако не всегда быстрое замораживание обеспечивает высокое качество продукта. Так, замораживание некоторых видов пищевых продуктов (большого объема) в криогенных жидкостях протекает с большой скоростью, но одновременно в продукте очень сильно повышается внутреннее давление замерзшего клеточного сока. Рост давления внутри замораживаемого продукта тем больше, чем больше его размеры, быстрее проводится замораживание и больше разность температур между внешним и внутренним слоями продукта. Особенно высокое внутреннее давление создается при замораживании сверхбыстрым способом.

Результат этого — повреждения внешних перемороженных слоев продукта, причем они не связаны с повреждениями, обусловленными образованием крупных кристаллов при медленном замораживании. Эти повреждения происходят, когда температура на поверхности продукта становится намного ниже криоскопической, а в центральных слоях еще отмечается стадия льдообразования. Увеличение объема центральных замерзающих слоев приводит к возрастанию внутреннего давления в продукте, и, когда плотный, неэластичный внешний ледовый слой не в состоянии выдержать внутреннее давление, происходит разрыв замораживаемого продукта.

Решающее значение на скорость замораживания оказывают температура охлаждающей среды, толщина замораживаемого продукта и коэффициент теплоотдачи от его поверхности.

Скорость замораживания влияет и на процессы массообмена, приводящие к усушке продукта. Пока на поверхности продукта не началось льдообразование, с нее испаряется капельно-жидкая влага, а затем происходит сублимация льда, что и приводит к его усушке. Потери воды при замораживании могут колебаться в широких пределах — от 0,3 до 2% и более в зависимости от температуры охлаждающей среды, начальной и конечной температуры продукта, вида среды, метода и скорости замораживания, а также специфических свойств отдельных продуктов.

Для представления массообмена используют различные математические модели, описывающие явление испарения влаги с поверхности продукта (основаны на законе Дальтона), однако они включают большое количество величин, определение которых затруднено. Поэтому массообмен в холодильной камере можно определять не по величине массы влаги, отданной продуктом, а по массе влаги, усвоенной воздухом в зависимости от его температуры, давления и равновесной влажности.

Усушка резко снижается, если на поверхности продукта натурального имеется влагонепроницаемый слой (корочка подсыхания, слой жировой ткани). При измельчении продуктов усушка резко возрастает. Потери при замораживании плодов и овощей зависят от их размера, характерных свойств кожицы, а также техники замораживания.

При замораживании бесконтактным способом в паронепроницаемой упаковке исключаются потери водяного пара через слой упаковочного материала. Однако при наличии свободных пространств между продуктом и упаковкой на внутренней поверхности упаковочного материала, образуется иней в результате конденсации и замерзании водяного пара (внутренняя усушка).

При любом способе и скорости замораживания в клетке могут происходить сложные изменения, связанные с нарушением ее структуры. Так, понижение температуры продукта до −8 — −10°С сопровождается интенсивным, льдообразованием и, следовательно, резким увеличением концентрации химических соединений в жидкой фазе продукта, уменьшением ее объема, сближением молекул. При этом создаются условия для структурных перестроек белковых молекул, возникновения межмолекулярных реакций, агрегации. Нарушения пространственной структуры макрочастиц белков идентифицируются с денатурацией, а ее внешним проявлением является выделение тканевого сока при размораживании. Развитие этих процессов стимулирует повышение концентрации электролитов в жидкой фазе. Зона максимального развития денатурационных изменений совпадает с температурной зоной максимальной кристаллизации, тканевого раствора. Денатурация наблюдается, прежде всего, в белках фракции актомиозина при отсутствии изменений белков саркоплазмы.

Важным фактором, влияющим на сохранение нагативной структуры белков, является связанная вода. Однако это касается только воды, связанной с белками тех групп, в которых энергия связей выше энергии, высвобождающейся при переходе в кристаллическую структуру льда. Белковые вещества с более узкой энергией связи теряют воду, которая вымораживается, а молекулы белка агрегируются. Стабильные белковые вещества удерживают воду, которая позволяет им сохранить негативную структуру и после размораживания.

Процессы денатурации белков при замораживании в определенной степени замедляются физическими изменениями образовавшегося раствора, в частности изменениями вязкости, ионной силы, давления водяных паров и рН. При введении некоторых веществ (этиленгликоль, пропиленгликоль, сахар, глицерин) процесс денатурации замедляется. Предполагается, что эти вещества усиливают прочность водородных мостиков и связей воды. При введении их снижается количество вымораживаемой воды.

В настоящее время разрабатываются пищевые системы, включающие замораживаемый продукт и структурирующие вещества, состоящие из натуральных пищевых компонентов. Использование таких пищевых систем позволяет получить сырье для замораживания, которое не теряет высокой биологической ценности при температуре замораживания −20°С, длительном хранении в замороженном виде и исключает потери при размораживании.

Изменение белков продуктов происходит также в результате их гидролиза под действием тканевых ферментов, которые высвобождаются при повреждении клеток.

Изменения жиров при замораживании и хранении являются результатом ферментативных и окислительных процессов. С понижением температуры замораживания скорость химических реакций резко замедляется, соответственно замедляются и химические процессы порчи жиров. Скорость ферментативных процессов при понижении температуры в определенном интервале может и возрастать.

При замораживании снижаются количество и активность микроорганизмов, однако добиться их полного уничтожения невозможно. Устойчивость микробной клетки к замораживанию зависит от вида микроорганизма, стадии его развития, среды обитания, а также скорости и температуры замораживания.

Получение высококачественных замороженных продуктов возможно только при исходном высоком качестве сырья, которое определяется многими факторами: условиями роста, кормления, упитанностью, физиологическим состоянием животного перед убоем, совершенством операций по убою и разделке туш. Критерием качества мясного сырья принято также считать степень развития в сырье послеубойных процессов.

Мясо, замороженное в стадии окоченения, имеет более низкое качество, так как белки обладают наименьшей растворимостью, набухаемостью и влагоудерживающей способностью.

Замороженное парное мясо имеет высокую степень обратимости, а белки — хорошую набухаемость и влагоудерживающую способность, так как резко тормозятся автолитические процессы, не наблюдается также изменений гистологической структуры тканей. Такое мясо обладает наилучшими потребительскими свойствами.

Существенном фактором, определяющим качество сырья и его стойкость при последующем хранении, является конечная температура продукта. При ее снижении уменьшаются потери белковых и экстрактивных веществ с мясным соком. Так, мясо животных или рыбы, замороженное до −50+ −70°С, а затем размороженное, незначительно отличается по показателям качества от мяса, не подвергавшегося замораживанию.

В то же время различия в качестве продуктов, замороженных разными методами, после нескольких месяцев хранения при температуре −20°С практически исчезают вследствие рекристаллизации. Движущей силой этого процесса может быть колебание температуры во время хранения, а также разность давлений водяных паров на поверхности мелких и крупных кристаллов. На поверхности мелких кристаллов давление водяных паров всегда выше, вследствие чего происходит миграция влаги от более мелких кристаллов к крупным. При низких температурах процесс рекристаллизации протекает медленно, но по мере повышения рекристаллизации заметно ускоряется.

Способ искусственного замораживания грунтов

Этот способ широко применяют для временного придания грунтам прочности и предотвращения притока воды в подземные выработки. Способ достаточно универсален и применим для всех типов рыхлых, связных и сыпучих грунтов, а также полускальных и скальных грунтов. Искусственное замораживание возможно на различных глубинах, при различной степени водонасыщенности грунтов. С его помощью можно замораживать массивы грунта как ограниченной формы, так и на больших площадях.

Сущность способа проходки в искусственно замороженных грунтах состоит в создании из замороженного грунта временного ограждения (кругового, прямоугольного или иного очертания), препятствующего проникновению грунтовой воды или водоносных неустойчивых грунтов в выработку при выполнении проходческих работ.

Создают такое ограждение следующим образом (рис, 3.1). До начала проходческих работ вблизи контура выработки (1) через толщу водоносных грунтов бурят скважины (2), заглубляя их в водоупорной слой (4), на глубину h = 2÷3 м. В скважины опускают замораживающие трубы – колонки. Через колонки прокачивают охлажденную до низких температур жидкость или нагнетают в них сжиженные газы с низкой температурой испарения.

Рис. 3.1 – Схема образования льдогрунтового ограждения

В результате постоянного притока холода в замораживающие колонки находящаяся в грунте вода замерзает и вокруг каждой колонки образуются льдогрунтовые цилиндры (3), с постепенно увеличивающимся радиусом R. Со временем эти цилиндры смыкаются в единое льдогрунтовое ограждение толщиной В.

Замороженные грунты резко изменяют свои первоначальные физико-механические свойства (прочность на сжатие и растяжение, сцепление, сдвиг, упругость и т. д.).

В зависимости от способа передачи холода от хладообразующего агрегата в замораживающую колонку различают две схемы замораживания: рассольную и безрассольную.

При рассольной схеме холод от хладообразующего агрегата передают в замораживающую колонку посредством циркулирующей между ними жидкости – хладоносителя. В каждую колонку (рис. 3.2) опускают питающую трубу (6) с открытым нижним концом, который не доходит до дна замораживающей колонки на 400–500 мм. Питающую трубу подключают к распределительному коллектору (3), по которому подают хладоноситель. Отобрав тепло от окружающего грунта, хладоноситель по отводящей трубе (5) поступает в обратный коллектор (1), а оттуда на повторное охлаждение. Для выключения замораживающей колонки из работы на питающей и отводящей трубах установлены запорные краны (2) и (4). В замораживающих колонках могут быть установлены специальные диафрагмы (7), которые ограничивают циркуляцию хладоносителя в колонке до определенной высоты. Это позволяет замораживать грунт только в нижней части колонок. Такие колонки называют колонками зонального замораживания.

Рис. 3.2 – Схема обычной замораживающей колонки (а) и колонки зонального замораживания (б)

В качестве хладоносителя используют водные растворы солей, получившие название рассолов. В практике замораживания наибольшее распространение получил водный раствор хлористого кальция. Рассолы достаточно дешевы и легко могут быть приготовлены в условиях строительной площадки. Однако им свойственны недостатки: они агрессивны но отношению к льдогрунтовому ограждению и в случае утечки из колонок разрушают его, приводя к прорыву плывуна в выработку; кроме того, их можно охлаждать только до температуры –20÷25°С. В тех случах, когда необходимо понизить температуру хладоносителя, т. е. сократить время на образование льдогрунтового ограждения, вместо рассолов следует применять жидкости, не замерзающие при более низких температурах – этиленгликоль или фреон-30. Эти жидкости допускают охлаждение до температуры –35°С, кроме того, при утечке из колонки они не разрушают льдогрунтовое ограждение.

При безрассольной схеме охлаждение скважин происходит непосредственно хладообразующим веществом – хладагентом – без хладоносителя. Процесс замораживания при этом осуществляется за счет непосредственного испарения хладагента в замораживающих колонках. В качестве хладообразующих веществ используют аммиак, фреон-143, углекислоту и азот. Температура испарения их при атмосферном давлении составляет: аммиака –33,4°С, фреона –143÷47,6°С, углекислоты –35°С, азота –195,8°С.

Наиболее эффективным хладагентом является жидкий азот, поскольку он обладает самой низкой температурой испарения. Время замораживания грунта жидким азотом сокращается по сравнению с рассольным способом в 8–9 раз. Повышенная прочность льдогрунтового ограждения (из-за более низкой температуры грунта) позволяет уменьшить его толщину, а следовательно, дополнительно сократить время, необходимое на образование такого ограждения. Для замораживания применяется простое в монтаже и легко транспортируемое оборудование. Жидкий азот доставляют на объект в специальных емкостях – танках вместимостью до 38 м 3 , смонтированных на шасси автомобиля.

Для замораживания грунтов жидким азотом могут быть использованы замораживающие колонки такой же конструкции, что и при рассольном.

Несмотря на указанные преимущества, замораживание жидким азотом осуществляют в настоящее время довольно редко. Это объясняется сравнительно высокой стоимостью жидкого азота (40–50 руб. за 1 т) и значительным его расходом на замораживание 1 м 3 грунта (0,8–1 т). В связи с этим замораживание грунтов жидким азотом можно считать целесообразным при ликвидации внезапных прорывов воды или плывуна и при выполнении срочных работ в водонасыщенных грунтах.

В некоторых случаях может оказаться эффективным комбинированный способ замораживания: создание льдогрунтового ограждения с использованием жидкого азота и поддержание грунтов в замороженном состоянии в период строительства тоннеля с использованием рассольного способа.

Льдогрунтовые ограждения зоны сооружения тоннеля могут быть созданы по следующим основным схемам.

1. Сплошное замораживание массива вертикальными скважинами, пробуренными с поверхности по трассе выработки в несколько продольных рядов (рис. 3.3, а). По этой схеме вдоль трассы выработки с расстоянием от 1,5 до 2,5 м бурят систему вертикальных замораживающих скважин (1) для создания сплошного льдогрунтового массива, в пределах которого ведут проходку выработки (2). Глубину скважин назначают с таким расчетом, чтобы в основании тоннеля оставался замороженный слой (плита) толщиной а, способный выдержать гидростатическое давление. При наличии подстилающего водоупора (3) (рис. 3.3, б) скважины в наружных рядах заглубляют в этот водоупор, а остальные не доводят до контура тоннельной выработки, чтобы не промораживать грунт в ее сечении. При глубоком заложении выработки (рис. 3.3, в) следует ограничить льдогрунтовый массив по высоте с помощью колонок зонального замораживания (4).

Рис. 3.3 – Схемы сплошного замораживания массива вертикальными скважинами

2. Контурное замораживание скважинами, пробуренными с поверхности и заглубленными в водоупор. По этой схеме при проходке горизонтальных выработок (рис. 3.4, а) замораживающие скважины (1) пробуривают с поверхности по периметру прямоугольников, вытянутых вдоль трассы тоннеля и охватывающих контур выработки (2). Льдогрунтовое ограждение делит зону сооружения тоннеля на отдельные герметизированные отсеки. По мере продвижения забоя выработки грунт в очередном отсеке осушают, откачивая воду насосами через скважины.

Рис. 3.4 – Схемы контурного замораживания грунта

По другой схеме контурного замораживания сооружают стволы и наклонные (эскалаторные) тоннели метрополитенов (рис. 3.4, б). В этом случае замораживающие скважины (1) бурят параллельно оси выработки на таком расстоянии от ее контура (2), чтобы после образования льдогрунтового ограждения грунт в сечении выработки остался незамороженным. Скважины заглубляют в водоупор (3) на величину h = 4÷6 м.

3. Замораживание системой наклонных скважин, образующих над тоннелем шатер из замороженного грунта (рис. 3.5). С помощью взаимно пересекающихся скважин (1) в толще водоносных грунтов создают водонепроницаемый контур за пределами сечения тоннеля (2). Направление и количество скважин в сечении зависят от наличия водоупорного пласта (3) и его расположения относительно выработки.

Читайте также:  Ловля налима в феврале

Рис. 3.5 – Схема замораживания грунта системой наклонных скважин при наличии водоупора вблизи выработки (а) и без него (б)

4. Замораживание с устройством льдогрунтовой плиты (рис. 3.6). Эту схему используют для создания надежной кровли из замороженного грунта (4) при расположении тоннеля (1) в непосредственной близости от дна водотока (2). С этой целью в открытый на дне водотока котлован укладывают секции замораживающих колонок (3) в несколько ярусов по высоте и засыпают песчаным грунтом.

Рис. 3.6 – Схема замораживания грунта с устройством льдогрунтовой плиты

5. Замораживание горизонтальными или наклонными скважинами, пробуренными непосредственно из забоя выработки (рис. 3.7, а) или из специальных выработок (рис. 3.7, б): штолен, котлованов, камер и т. п. Льдогрунтовое ограждение из забоя выработки может быть создано с применением горизонтальных замораживающих скважин (1), расположенных внутри контура выработки или же расходящимся пучком. При этом концы скважин должны быть заглублены в водоупор (2). В противном случае грунт необходимо проморозить по всему сечению выработки. В условиях плотной городской застройки скважины бурят из специальной пройденной над тоннелем штольни (3). Замораживание грунта из забоя выработок осуществляют с помощью передвижных замораживающих станций, располагаемых в тоннеле.

Рис. 3.7 – Схемы замораживания грунта из забоя выработки (а) и из вспомогательных выработок (б)

Выбор той или иной из указанных схем замораживания должен быть обоснован технико-экономическими расчетами.

При проектировании замораживания грунта расчетом должны быть определены: толщина льдогрунтового ограждения, расстояние между замораживающими скважинами и их количество, производительность замораживающей установки и время для создания льдогрунтового ограждения необходимой толщины.

Комплекс работ по замораживанию грунтов состоит из следующих этапов: бурение скважин и опускание замораживающих колонок; монтаж замораживающей станции и рассольной сети; замораживание грунтов и контроль за процессом замораживания; поддержание грунта в замороженном состоянии на период сооружения тоннеля; естественное или искусственное оттаивание грунтов; демонтаж замораживающей установки.

Затраты на искусственное замораживание грунтов зависят главным образом от объема замороженного грунта. С увеличением объемов работ стоимость замораживания 1 м 3 грунта снижается. В среднем стоимость замораживания грунтов составляет от 5 до 20% стоимости основного сооружения.

В зависимости от свойств грунтов и длины замораживающих колонок они могут быть опущены в предварительно пробуренные скважины, непосредственно погружены, забиты или вдавлены в грунт, а также уложены по дну водотока и засыпаны грунтом.

После установки замораживающих колонок в них помещают питающие и отводящие трубы и монтируют замораживающую сеть. По окончании монтажных работ производят пробный пуск системы и приступают к работам по замораживанию грунтов.

Процесс замораживания состоит из двух периодов: периода образования льдогрунтового ограждения (активное замораживание) до начала проходки тоннеля и периода поддержания отрицательной температуры замороженного грунта до окончания работ по сооружению тоннеля (пассивное замораживание). В период активного замораживания к колонкам подают максимальное количество холода, а в период пассивного замораживания – количество холода, необходимое только для поглощения тепла, притекающего к замороженным грунтам от окружающих их незамороженных грунтов.

Для достижения высокого качества замораживания грунтов в процессе замораживания контролируют распределение температур в грунтах через термометрические скважины, расположенные на некотором расстоянии от замораживающих, и замыкание замороженного контура льдогрунтового ограждения через гидрогеологические скважины, пробуренные в центре выработки. Об образовании замкнутого контура льдогрунтового ограждения судят по поднятию уровня воды в этой скважине, так как вода внутри замороженного контура испытывает давление, которое возрастает при увеличении толщины льдогрунтового ограждения.

Технология работ по сооружению тоннелей под защитой льдогрунтового ограждения существенно не отличается от обычной, но имеет некоторые особенности. Так, проходку тоннелей обычным щитом можно осуществлять при любой схеме замораживания, а механизированные щиты можно применять только в тех случаях, когда грунты в сечении тоннеля не заморожены и не пересекаются замораживающими скважинами. Необходимо соблюдать меры предосторожности, чтобы не нарушить устойчивость льдогрунтового ограждения и не повредить замораживающие колонки, которые из-за возможного искривления скважин при бурении могут находиться на незначительном расстоянии от контура тоннеля. Мерзлые нескальные грунты разрабатывают отбойными молотками или пневмолопатами, так как разработка таких грунтов взрывным способом может вызвать деформацию окружающих выработку грунтов и, как следствие, нарушение льдогрунтового ограждения. Взрывные работы могут быть допущены, как исключение, при наличии в замороженной зоне скальных и полускальных грунтов.

При проходке тоннелей в зоне замороженных грунтов специальные водоотливные средства применять не следует, поскольку поступление воды в забой указывает на образование «окна» в льдогрунтовом массиве. Если в процессе проходки в забое обнаружена замораживающая колонка, отклонившаяся внутрь выработки, ее необходимо отключить от распределительной замораживающей сети, отрезать часть, препятствующую проходке, и конец оставшейся части заварить. После этого колонку можно снова включать в работу. О случайном повреждении замораживающей колонки в забое тоннеля необходимо немедленно сообщить на замораживающую станцию, а поступающий из колонки хладоноситель при помощи шлангов отвести в лоток тоннеля или в находящуюся в тоннеле емкость. Если в процессе проходки выработки будут обнаружены признаки оттаивания, течей, а также незамороженных грунтов, проходку следует прекратить. Возобновить ее можно только после выявления и устранения причин, вызвавших нарушения в льдогрунтовом ограждении.

После проходки выработки и возведения обделки в зоне замороженных грунтов подачу холода в колонки прекращают. Оттаивание льдогрунтовых ограждений вокруг тоннелей осуществляется, как правило, естественным способом. Иногда применяют искусственное оттаивание, что способствует равномерному нагружению конструкции и позволяет регулировать процесс деформации сооружения.

Механизм вымерзания воды (теория кристаллообразования)

Поскольку в воде продукта растворены минеральные и органические вещества, фазовое превращение начинается при отводе тепла в момент нарушения состояния переохлаждения. При этом понижение температуры сопровождается соответствующим изменением концентрации жидкого раствора.

Криоскопическая температура зависит от концентрации раствора, степени диссоциации растворенных веществ и свойств растворения. Криоскопическая температура продуктов животного происхождения ниже 0°С.

При замораживании разбавленных растворов вначале вымерзает чистая вода. Количество воды в мясе убойных животных составляет 53-75%, а в рыбе — 55-80%. По существующей классификации в пищевых продуктах различают связанную (гидратационную) и свободную воду. Содержание связанной воды почти постоянно и составляет около 10% ее общего количества в продукте. Дипольные частицы воды посредством адсорбции прочно связаны с ионами и полимерными группами белков. При замораживании продуктов связанная вода не участвует в фазовых превращениях.

Свободная вода находится в межклеточном пространстве продукта и является растворителем минеральных веществ. При температурах ниже криоскопической она превращается в лед. По мере вымораживания свободной воды увеличивается концентрация солей в незамерзшем межклеточном растворе, что приводит к смещению криоскопической температуры в область более низких температур. При этом вымораживание воды происходит постепенно, с повышением концентрации оставшегося раствора. При достижении концентрации, определенной для даннoгo раствора (тканевого сока), он весь застывает в сплошную твердую массу, называемую эвтектикой; температура ее образования называется эвтектической.

В холодильной технологии воду, перешедшую в твердое состояние, принято называть вымороженной. Экспериментально установлено, что примерно три четверти воды, содержащейся в мясе, птице, рыбе и яйцах, и до половины — в картофеле вымораживается при температуре до −4°С. Считается, что полное вымораживание свободной воды продовольственных продуктов происходит при снижении их температуры до −30°С.

На качество замороженных продуктов большое влияние оказывают размер, форма и распределение кристаллов льда, образующихся в продукте при замораживании. Характер кристаллообразования зависит от состояния клеточных оболочек, концентрации растворенных веществ в клетках, степени гидратации белков и других свойств продукта. Большое значение имеет также скорость замораживания.

Скорость замораживания определяется быстротой продвижения границы раздела между жидкой и отвердевшей фазами от поверхности замораживаемого продукта к его термическому центру. Следует различать среднюю скорость замораживания и номинальную.

Хорошие результаты обеспечивает скорость замораживания, при которой продолжительность действия критических температур не превышает 30 мин.

При медленном замораживании сначала образуются кристаллы льда из внеклеточного тканевого сока относительно невысокой концентрации. Повышенное давление пара над переохлажденной, но еще не затвердевшей жидкостью внутри клетки вызывает диффузию водяного пара через стенки клеток, что приводит к образованию крупных кристаллов льда, травмирующих ткани, медленное замораживание приводит к полной потере свободной воды внутри клеток (процесс криоосмоса или криоконцентрации). В замороженной таким образом ткани внутри клеток, потерявших упругость, находится незамерзший раствор, а весь образовавшийся лед — вне клеток. При этом количество поврежденных клеток превышает 70%.

При быстром замораживании образуются мелкие кристаллы льда, которые равномерно распределены по всей толще замораживаемого продукта. Воды почти без перемещения переходит в лед по месту ее нахождения до замораживания. При этом травмирующее действие кристаллов на клетки и ткани минимально.

При ультрабыстром замораживании 90% всех кристаллов льда формируется внутри клеток при минимальном повреждении ткани. Существует несколько теорий, объясняющих механизм повреждения клеток и тканей при замораживании различными повреждающими факторами:

  • механический — из-за давления образующихся кристаллов льда
  • на строение тканей;
  • осмотический — вследствие чрезмерной дегидратации клеток; химический — за счет гиперконцентрации солей как вне, так и
  • внутри клеток.
  • Все эти факторы являются результатом кристаллизации воды и
  • перехода ее в лед.

В последнее время наибольшее распространение получили две теории — механическая и солевой денатурации. Механическая теория утверждает, что разрушение клеток вызывается механическим действием кристаллов льда, особенно внутриклеточных.

При медленном замораживании процесс кристаллообразования начинается при определенной температуре (ниже криоскопической) прежде всего в межклеточных и межволоконных пространствах, имеющих более высокую криоскопическую точку из-за меньшей концентрации солей и органических веществ и слабее связанных водой с гидрофильными коллоидами продукта.

Появление кристаллов льда приводит к увеличению концентрации веществ в слое раствора, прилегающем к поверхности кристалла. Вследствие разности концентраций раствора внутри и вне клеток возникают отток влаги из волокон и клеток и намораживание ее на поверхности кристаллов.

Расширение воды при превращении ее в лед приводит к сдавливанию волокон и клеток, что вызывает дополнительный отток воды из них. Этот процесс продолжается до тех пор, пока температура не станет достаточно низкой, чтобы началось кристаллообразование внутри волокон и клеток, где остается уже небольшое количество влаги в концентрированном растворе.

При быстром замораживании теплоотвод происходит более интенсивно. Прежде чем успеет интенсивно развиться миграционный процесс, температура внутри волокон и клеток становится достаточно низкой, чтобы там в соответствии с концентрацией раствора началось кристаллообразование. Таким образом, быстрое замораживание приводит к затвердеванию влаги без значительного перераспределенния ее.

Повышение скорости замораживания сокращает миграцию влаги, вызывает образование большого количества мельчайших кристаллов, равномерно размещенных как в межклеточном пространстве, так и в самих клетках.

Стекловидное состояние отличается от кристаллического тем, что молекулы вещества распределяются хаотически, а не по определенному стереометрическому плану, как это происходит при кристаллизации.

При стекловидном состояния ткань приобретает некоторые свойства твердого тела. Это состояние менее устойчиво в термодинамическом смысле, поэтому со временем при небольшом повышении температуры наблюдается постепенный переход из стекловидного к кристаллическому состоянию, сопровождающийся небольшим выделением тепла (девитрификация).

При витрификации, помимо аморфного (стекловидного) льда, образуется небольшое количество мельчайших кристаллов льда, неуловимых при оптических методах исследования. Это явление получило название «аморфизация».

Стекловидную массу можно сохранить только при температуре ниже-130°С. При быстром нагревании стекловидное состояние может перейти в жидкое, минуя кристаллическое. Таким образом, минуя структурный распад, который наступает после внутриклеточной кристаллизации, а также при внутренней миграционной перекристаллизации после первоначального процесса замораживания можно с помощью сверхбыстрого охлаждения предотвратить гибель клеток и достигнуть обратимости процесса, от которого зависит максимальное сохранение качества продукта.

Теория солевой денатурации основывается на том, что в процессе льдообразования происходит перераспределение влаги в здании и увеличивается концентрация солей в клетках.

Под действием повышенной концентрации солей и ряда химических и коллоидных процессов происходят денатурационные изменения белковых веществ. При медленном замораживании концентрация солевых растворов в продукте выше и время их воздействия больше. А степень денатурации белков зависит от времени воздействия на них гипертонических растворов. При сверхбыстром замораживании это время сводится к минимуму.

Денатурация белков происходит при температурах, близких к точке эвтектики растворов, и падении рН. Изменение величины рН в биологическом объекте при замораживании приводит к изменениям активности ферментов и скорости денатурации белка.

Однако не всегда быстрое замораживание обеспечивает высокое качество продукта. Так, замораживание некоторых видов пищевых продуктов (большого объема) в криогенных жидкостях протекает с большой скоростью, но одновременно в продукте очень сильно повышается внутреннее давление замерзшего клеточного сока. Рост давления внутри замораживаемого продукта тем больше, чем больше его размеры, быстрее проводится замораживание и больше разность температур между внешним и внутренним слоями продукта. Особенно высокое внутреннее давление создается при замораживании сверхбыстрым способом.

Результат этого — повреждения внешних перемороженных слоев продукта, причем они не связаны с повреждениями, обусловленными образованием крупных кристаллов при медленном замораживании. Эти повреждения происходят, когда температура на поверхности продукта становится намного ниже криоскопической, а в центральных слоях еще отмечается стадия льдообразования. Увеличение объема центральных замерзающих слоев приводит к возрастанию внутреннего давления в продукте, и, когда плотный, неэластичный внешний ледовый слой не в состоянии выдержать внутреннее давление, происходит разрыв замораживаемого продукта.

Решающее значение на скорость замораживания оказывают температура охлаждающей среды, толщина замораживаемого продукта и коэффициент теплоотдачи от его поверхности.

Скорость замораживания влияет и на процессы массообмена, приводящие к усушке продукта. Пока на поверхности продукта не началось льдообразование, с нее испаряется капельно-жидкая влага, а затем происходит сублимация льда, что и приводит к его усушке. Потери воды при замораживании могут колебаться в широких пределах — от 0,3 до 2% и более в зависимости от температуры охлаждающей среды, начальной и конечной температуры продукта, вида среды, метода и скорости замораживания, а также специфических свойств отдельных продуктов.

Для представления массообмена используют различные математические модели, описывающие явление испарения влаги с поверхности продукта (основаны на законе Дальтона), однако они включают большое количество величин, определение которых затруднено. Поэтому массообмен в холодильной камере можно определять не по величине массы влаги, отданной продуктом, а по массе влаги, усвоенной воздухом в зависимости от его температуры, давления и равновесной влажности.

Читайте также:  Влияние зимней погоды на рыбалку

Усушка резко снижается, если на поверхности продукта натурального имеется влагонепроницаемый слой (корочка подсыхания, слой жировой ткани). При измельчении продуктов усушка резко возрастает. Потери при замораживании плодов и овощей зависят от их размера, характерных свойств кожицы, а также техники замораживания.

При замораживании бесконтактным способом в паронепроницаемой упаковке исключаются потери водяного пара через слой упаковочного материала. Однако при наличии свободных пространств между продуктом и упаковкой на внутренней поверхности упаковочного материала, образуется иней в результате конденсации и замерзании водяного пара (внутренняя усушка).

При любом способе и скорости замораживания в клетке могут происходить сложные изменения, связанные с нарушением ее структуры. Так, понижение температуры продукта до −8 — −10°С сопровождается интенсивным, льдообразованием и, следовательно, резким увеличением концентрации химических соединений в жидкой фазе продукта, уменьшением ее объема, сближением молекул. При этом создаются условия для структурных перестроек белковых молекул, возникновения межмолекулярных реакций, агрегации. Нарушения пространственной структуры макрочастиц белков идентифицируются с денатурацией, а ее внешним проявлением является выделение тканевого сока при размораживании. Развитие этих процессов стимулирует повышение концентрации электролитов в жидкой фазе. Зона максимального развития денатурационных изменений совпадает с температурной зоной максимальной кристаллизации, тканевого раствора. Денатурация наблюдается, прежде всего, в белках фракции актомиозина при отсутствии изменений белков саркоплазмы.

Важным фактором, влияющим на сохранение нагативной структуры белков, является связанная вода. Однако это касается только воды, связанной с белками тех групп, в которых энергия связей выше энергии, высвобождающейся при переходе в кристаллическую структуру льда. Белковые вещества с более узкой энергией связи теряют воду, которая вымораживается, а молекулы белка агрегируются. Стабильные белковые вещества удерживают воду, которая позволяет им сохранить негативную структуру и после размораживания.

Процессы денатурации белков при замораживании в определенной степени замедляются физическими изменениями образовавшегося раствора, в частности изменениями вязкости, ионной силы, давления водяных паров и рН. При введении некоторых веществ (этиленгликоль, пропиленгликоль, сахар, глицерин) процесс денатурации замедляется. Предполагается, что эти вещества усиливают прочность водородных мостиков и связей воды. При введении их снижается количество вымораживаемой воды.

В настоящее время разрабатываются пищевые системы, включающие замораживаемый продукт и структурирующие вещества, состоящие из натуральных пищевых компонентов. Использование таких пищевых систем позволяет получить сырье для замораживания, которое не теряет высокой биологической ценности при температуре замораживания −20°С, длительном хранении в замороженном виде и исключает потери при размораживании.

Изменение белков продуктов происходит также в результате их гидролиза под действием тканевых ферментов, которые высвобождаются при повреждении клеток.

Изменения жиров при замораживании и хранении являются результатом ферментативных и окислительных процессов. С понижением температуры замораживания скорость химических реакций резко замедляется, соответственно замедляются и химические процессы порчи жиров. Скорость ферментативных процессов при понижении температуры в определенном интервале может и возрастать.

При замораживании снижаются количество и активность микроорганизмов, однако добиться их полного уничтожения невозможно. Устойчивость микробной клетки к замораживанию зависит от вида микроорганизма, стадии его развития, среды обитания, а также скорости и температуры замораживания.

Получение высококачественных замороженных продуктов возможно только при исходном высоком качестве сырья, которое определяется многими факторами: условиями роста, кормления, упитанностью, физиологическим состоянием животного перед убоем, совершенством операций по убою и разделке туш. Критерием качества мясного сырья принято также считать степень развития в сырье послеубойных процессов.

Мясо, замороженное в стадии окоченения, имеет более низкое качество, так как белки обладают наименьшей растворимостью, набухаемостью и влагоудерживающей способностью.

Замороженное парное мясо имеет высокую степень обратимости, а белки — хорошую набухаемость и влагоудерживающую способность, так как резко тормозятся автолитические процессы, не наблюдается также изменений гистологической структуры тканей. Такое мясо обладает наилучшими потребительскими свойствами.

Существенном фактором, определяющим качество сырья и его стойкость при последующем хранении, является конечная температура продукта. При ее снижении уменьшаются потери белковых и экстрактивных веществ с мясным соком. Так, мясо животных или рыбы, замороженное до −50+ −70°С, а затем размороженное, незначительно отличается по показателям качества от мяса, не подвергавшегося замораживанию.

В то же время различия в качестве продуктов, замороженных разными методами, после нескольких месяцев хранения при температуре −20°С практически исчезают вследствие рекристаллизации. Движущей силой этого процесса может быть колебание температуры во время хранения, а также разность давлений водяных паров на поверхности мелких и крупных кристаллов. На поверхности мелких кристаллов давление водяных паров всегда выше, вследствие чего происходит миграция влаги от более мелких кристаллов к крупным. При низких температурах процесс рекристаллизации протекает медленно, но по мере повышения рекристаллизации заметно ускоряется.

Замерзание. Первая помощь при замерзании.

Замерзание возникает в результате истощения адаптационных механизмов терморегуляции, когда температура тела под влиянием внешнего охлаждения прогрессивно падает, и угнетаются все жизненные функции вплоть до их полного угасания.

При развитии процесса замерзания различают два периода – скрытый и реактивный.

Скрытый период: преобладают сонливость, вялость, замедленность реакций, речи, движений, общая дрожь тела.

При продолжении воздействия низкой температуры последовательно наступают три фазы замерзания.

Адинамическая фаза. В начальном периоде снижения температуры усиливаются все жизненные функции организма и, прежде всего, повышается возбудимость нервной системы; нарастают частота и глубина дыхания, учащается пульс и повышаются артериальное давление, скорость кровотока, возрастают обмен веществ и потребление кислорода организмом. Благодаря этому некоторое время сохраняется нормальный уровень температуры тела за счет максимального напряжения всех сил организма и усиления теплопродукции. Затем наступает снижение температуры тела, сопровождаемое падением основных показателей жизненных функций. Уменьшается частота дыхания, сердцебиения, угнетается сознание, замедляются реакции, появляются скованность речи, сонливость и т.п.

Ступорозная фаза.Ее следует считать защитным торможением коры головного мозга с распространением на нижележащие отделы центральной нервной системы. Замедляется частота дыхания и пульса, ослабевает сила сердечных сокращений, нарастают гипоксия и гипоксемия, прекращается дрожь. Развиваются выраженная мышечная ригидность, недержание мочи и кала. Полностью подавляется психическая деятельность, ослабевает возбудимость подкорковых центров, реакции и рефлексы ослабевают.

Судорожная фаза. Резко снижается обмен веществ и нарушается снабжение тканей кислородом. Ослабевает сердечная деятельность, исчезает артериальное давление. Нарушается ритм дыхания и наступает его остановка. Исчезают мышечный тонус и ригидность мышц. В конечной фазе развития запредельного торможения, парабиоза и паралича центральной нервной системы угасают все жизненные функции, и наступает клиническая смерть.

Реактивный период: наступает после согревания организма в целом. В этот период могут развиваться различные патологические процессы во внутренних органах (пневмонии, нефриты и т.п.) и расстройства со стороны нервной системы (невриты, параличи, трофические поражения, психические и нервные заболевания и т.п.).

Главной задачей первой помощи при выраженном замерзании является быстрое активное согревание, направленное на скорейшее восстановление нормального уровня температуры тела человека. Пассивное согревание (укутывание в теплом помещении и пр.) таких пострадавших следует считать бесплодной потерей времени. Опасно лишь перегревание, которое может вызвать тяжелые последствия уже при небольшом превышении температуры тела. Поэтому рациональные мероприятия активного согревания должны обеспечить быстрейший возврат температуры тела к нормальному уровню и одновременно предупредить опасность перегревания.

Необходимо принять следующие меры:

1. удалить пострадавшего из сложившихся условий гипотермии, быстро освободить от мокрой одежды;

2. вызвать скорую помощь;

3. согревание пострадавшего в ванной с температурой воды 21-24°С, с постепенным повышением температуры воды каждые 30 минут на 2 -3 °С;

4. положить теплые грелки на затылок и область печени;

5. дать пострадавшему, теплый сладкий чай, немного углеводистой пищи (печенье, белый хлеб);

6. если пострадавший находится без сознания, но с сохраненной сердечной деятельностью и дыханием, его следует уложить в «безопасное положение», тепло укрыть и в ожидании прибытия врачей постоянно наблюдать за состоянием и проходимостью его дыхательных путей;

7. если возникнет остановка дыхания или пульса, необходимо срочно выполнить требования подготовительного этапа реанимации и приступить к выполнению комплекса СЛР, следуя правилу АВС.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Для студентов недели бывают четные, нечетные и зачетные. 9987 – | 7759 – или читать все.

Ускорение оттаивания сезонной мерзлоты при помощи солевых растворов

1969 г, Колыма, №10

В последнее время все большее внимание вызы­вают физико-химические методы предохранения от сезонного промерзания и размораживания грунтов в зимний период [2]. Значительный объем работ с применением солевых растворов для предотвра­щения смерзаемости грунтов был произведен при строительстве Вилюйской ГЭС [1]. Наибольший интерес представляет опыт по размораживанию грунтов в феврале—марте, проведенный в г. Ангар­ске [4]. Грунт готовили зимой к выемке под фунда­мент. Участок обрабатывали 25-процентным раст­вором NaCl с общим расходом соли 8 кг на 1 м 3 мерзлого грунта. Через 10 дней грунт разморозился на глубину 1,3 м, ниже оставалась вялая мерзлота, которая легко разрабатывалась бульдозером.

С целью установления возможности применения солевых растворов для интенсификации оттаива­ния сезонной мерзлоты в весенний период на драж­ных полигонах авторы провели ряд исследований.

Известно, что при контакте солевого раствора со льдом происходит резкое понижение температуры. Если эвтектическая концентрация Сэ =23,4%, то раствор замерзает при температуре эвтектики tэ = —21°. В концентрациях раствора ниже эвтек­тических замерзание происходит при эквивалентной температуре tл. Указанная зависимость приведена на рис. 1 [3]. Ввиду этого значительно увеличивает­ся разность температур и соответственно количе­ство тепла, поступающего в зону протаивания с дневной поверхности и из подстилающей мерзлой толщи.

Для проверки эффективности данного метода и предварительного изучения процессов оттаивания в мае 1968 г. была проведена экспериментальная работа на полигоне драги № 134 треста «Лензолото». Экспериментальная площадка находилась в таликовой зоне с глубиной сезонного промерзания 2,5—2,8 м. К моменту введения раствора в грунт естественная оттайка достигла 30—35 см. Породы представлены мелкими песчано-гравийными отло­жениями с небольшой примесью глины. С глубины 0,7 м встречаются валуны. Весовая льдистость от­ложений i= 120—150 кг/м 3 .

18 мая перед внесением соли с площадки буль­дозером удаляли оттаявший слой и раствор выли­вали непосредственно на мерзлый грунт. Экспери­ментальную площадку разбили на четыре участка. Засоление участков было различной концентрации: участок № 1 – 10 кг/м 2 , № 2 — 5, № 3 — 2,5 кг/м 2 , на участке № 4 (контрольный) засоление не произ­водили. Площади всех участков одинаковы и равны 20 м 2 . Поверхность обрабатывалась насыщен­ным раствором поваренной соли, температура плюс 1—2°. Температурный контроль осуществляли на участках № 2 и 4. Термометры были установлены на поверхности грунта и на глубине 5; 10; 15 см. Перед внесением солевого раствора все заглублен­ные в мерзлоту термометры на участках № 2 и 4 показывали температуру, близкую к 0° (минус 0,1 —0,2°). После внесения раствора на участке № 2 произошло значительное изменение температуры по глубине (рис. 2). В определенные моменты были отмечены минимальные температуры: на глубине 5 см — минус 6°, на глубине 10 см — минус 5,8°, на глубине 15 см — минус 5,5°. Сравнительно высокая температура в зоне контакта насыщенного раствора соли с мерзлотой объясняется влиянием теплоемко­сти скелета пород, находящегося при температуре минус 0,1° — 0,2°, то есть, хотя в зоне контакта раст­вора с частицам льда мерзлых пород и возни­кает соответствующая концентрации температура (рис. 1), усредненная температура с учетом тепло­емкости скелета не опускалась ниже минус 6°. Тающий лед снижает концентрацию раствора и соответственно увеличивает эквивалентную темпе­ратуру (рис. 1). Этим можно объяснить повышение температуры с минус 6° на глубине 5 см до минус 5,5° на глубине 15 см.

Тепло, вносимое в грунт с водой при температуре +3°, незначительно по величине и его можно не учитывать.

Наблюдения за ходом оттаивания (рис. 3) вели с момента внесения соли — с 18 до 27 мая. Глубину оттаивания определяли шурфовкой.

Наличие соли прослеживалось до глубины не более 1м. Ниже этой отметки на засоленных участках до глубин, указанных на рис. 3, находилась вялая мерзлота, легко разбирающаяся лопатой.

В это же время был проведен эксперимент на участке, представленном слабофильтрующими или­стыми отложениями. Глубина оттаивания на засо­ленном и контрольном участках оказалась почти одинаковой и составила за период с 15 мая по 27 мая 60—63 см. Соль при этом отмечалась на глу­бине не более 15 см, то есть скорость фильтрации солевого раствора значительно отставала от скоро­сти естественного оттаивания. Контакта солевого раствора с мерзлотой при этом не было, что полно­стью устранило эффект ускорения оттаивания.

В отличие от участков № 1, 2 и 3, где соль вно­сили в виде насыщенного раствора, на илистом уча­стке засоление производили иначе: сначала по поверхности участка \’рассыпали соль из расчета 5 кг/м 2 , а затем многократно его поливали водой. Предпочтение следует отдать первому способу, так как растворение крупнокристаллической техниче­ской поваренной соли методом поливки требует большего количества воды, чем при растворении в емкости.

Таким образом, экспериментальная проверка подтвердила сравнительно высокую эффективность данного метода оттаивания сезонной мерзлоты на породах с хорошей фильтрацией. Метод прост, стоимость осуществления мероприятия невысокая, трудовые затраты незначительны. По ориентировоч­ным подсчетам, стоимость оттайки составляет около 20 коп/м 3 , что значительно ниже по сравнению с паровой и электрической оттайкой. Принципиаль­ным преимуществом метода является возможность ведения работ в ранний период, когда другие мето­ды оттаивания (например, с помощью пленочных покрытий и гидроигловой) малоэффективны или невозможны.

Рекомендуется широко проводить промышленные испытания данного метода оттайки и его дальней­шие исследования с целью разработки теплофизических и физико-химических основ.

Данный метод может найти применение и на других открытых работах, например, при бульдо­зерной разработке россыпей в районах Северо- Востока.

1.Батенчук Е.Н., Биянов Г.Ф., Торопов Л. Н., Мызников Ю.Н. Зимняя укладка связных грунтов на Крайнем Севере. «Энергия», М., 1968.

2.Ильинский Б.П., Щицин А.Г. Зимнее утеп­ление карьеров введением солей в грунт. «Строительные ма­териалы», 1967, № 7.

  1. Кингери У.Д. Лед и снег. Перевод с английского. Изд-во «Мир», М., 1966
  2. Пантелеев А. Н. Производство работ в зимнее время с применением раствора хлористого натрия. «Промыш­ленное строительство», 1963, № 3

Добавить комментарий