Скорость замерзания воды: За сколько времени вода превратится в лед в морозилке

Когда замерзает водопровод? Расчет в Excel.

Опубликовано 19 Авг 2019
Рубрика: Теплотехника | 14 комментариев

Однажды довелось наблюдать успешный опыт эксплуатации технического водопровода, проложенного по воздуху от скважины до административного здания. В условиях сибирской зимы при температуре воздуха временами до -37 ˚С поставленный на постоянный…

…минимальный проток водопровод ни разу не перемерз, успешно обеспечивая водой санузлы. Несмотря на некоторую странность темы статьи, попробуем разобраться.

Для ответа на вопрос «Когда замерзает водопровод?» нет необходимости составлять очередной алгоритм и писать программу. В предыдущих публикациях на этом сайте в категории «Теплотехника» есть для этого все необходимые расчеты!

Пример. Расчет в Excel.

Условия задачи:

Проложенный по воздуху в неотапливаемом помещении участок стального водопровода без теплоизоляции длиной L=20 м выполнен из круглой трубы с наружным диаметром D=33,5 мм и с толщиной стенки s=2,8 мм. Температура окружающего воздуха (среды) t_с=-10 °С. Скорость движения воздуха v=1 м/с. Температура воды на входе в трубопровод t₁=+5 °С. Давление воды в трубопроводе P=0,1 МПа. Коэффициент температуропроводности воды а=0,000000143 м²/с. Температура замерзания воды t₃=0 °С.

Требуется:

1. Найти время начала замерзания воды в трубе при отсутствии расхода.

2. Вычислить минимальный расход воды, при котором водопровод не замерзает.

Решение:

1. Для вычисления плотности, теплоемкости и теплопроводности воды воспользуемся программой из статьи «Теплофизические свойства воды». В исходные данные введем среднюю температуру воды из интересующего нас диапазона +5…0 °С.

Время остывания воды (труба полностью заполнена) до критической температуры замерзания при отсутствии расхода рассчитаем по программе из статьи «Время охлаждения (нагрева)». Все исходные данные для этого у нас есть из условий задачи и предыдущего первого расчета.

Первая часть задачи решена. Время охлаждения неподвижной воды в трубопроводе до 0 °С — около 21 минуты.

Обращаю внимание и напоминаю, что выполненный расчет носит оценочный характер! В частности, теплоемкость оболочки – стенки стальной трубы – этот расчет не учитывает.

Если бы скорость ветра в задаче была не 1 м/с, а, например, 10 м/с, то резко бы увеличился коэффициент теплоотдачи на границе «труба-воздух» α=45,6 Вт/(м²*К). И время до начала замерзания водопровода составило бы всего 4…5 минут! (В примечании к ячейке D3 программы приведены справочные данные, формулы и рекомендации по определению α.)

2. Минимальный теоретический расход воды, при котором водопровод не должен замерзать, рассчитаем с помощью программы из статьи «Расчет теплоотдачи трубы». Примем температуру воды на выходе из трубопровода t₂=+1 °С. Это означает, что падение температуры воды на двадцати метрах не должно превысить |d_tтрГГ|=4 °С.

Сравнительно небольшой проток 0,015 кг/с (или примерно 0,92 л/мин) воды с температурой t₁=+5 °С на входе обеспечит мощность притока тепловой энергии P_трГГ=256,6 Вт, которой достаточно для поддержания системы в стационарном равновесном состоянии. При этом температура воды на выходе двадцатиметровой трубы будет равна t₂=+1 °С.

Проверка:

Проверим выполненные расчеты по еще одной программе из статьи «Регистры отопления из труб».

Рассчитанная мощность Q=262 Вт приближенно равна теплоотдаче из предыдущего третьего расчета P_трГГ=256,6 Вт, а вычисленный коэффициент теплоотдачи α=9,6 Вт/(м²*К) равен коэффициенту теплоотдачи из второго расчета, где его в исходных данных мы определили по скорости движения воздуха.

Ответ:

1. Замерзает водопровод при отсутствии движения воды уже через 21 минуту.

2. При расходе воды около 1 л/мин (при средней скорости движения воды ~ 25 мм/с) водопровод из условий задачи в спокойном воздухе с температурой -10 °С не должен замерзнуть никогда.

Заключение.

Конечно, в реальных условиях температуру воды +1 °С на выходе из трубопровода поддерживать нельзя. Желательно иметь запас подальше от точки кристаллизации с учетом возможных колебаний скорости и температуры, как воздуха, так и воды. Также необходимо учитывать наличие сужений и массивных теплоотводов-холодильников в виде опор трубопровода, корпусов и других деталей запорной арматуры.

Все четыре использованные в статье теплотехнические программы в Excel доступны на сайте для свободного скачивания.

P. S. (25.11.2019)

Проверил в программе Agros2D результаты расчетов, выполненных в статье.

Результат: при всех тех же исходных данных и коэффициенте теплоотдачи на наружной поверхности трубы α=9,6 Вт(м²*К) процесс замерзания воды в трубе при отсутствии движения начнется через ~23 минуты (1380 секунд).  Расчет в Agros2D выполнен без учета конвективного перемешивания воды в трубе, но с учетом теплоемкости стенки трубы, которая «добавила» к предыдущему результату пару минут.

Другие статьи автора блога

На главную

Статьи с близкой тематикой

Отзывы

Безопасная толщина льда для рыбалки

Край промоины влечет к себе рыболова-подледника, хотя опасность того, что вблизи открытой воды лед окажется явно непрочным, присутствует всегда. Условиями безопасного передвижения по льду являются знание рисков и надлежащее снаряжение. Приведенные здесь сведения обязательно помогут обеспечить Вашу безопасность.

Осенью первыми покрываются льдом мелкие озерки, а затем – прибрежные воды и неглубокие заливы озер. Замерзание водоемов происходит от берегов к плесам. Наиболее глубокие места могут оставаться не замерзшими еще месяц-два после того, как прибрежные участки уже покрылись льдом, поскольку большая водная масса остывает медленнее.

В море затягивание льдом архипелагов и открытых морских участков зависит как от продолжительности морозных периодов, так и от ветра и течений. В открытом море ледовый покров «живет» на протяжении всей зимы. Вследствие перемещения и растрескивания ледяных полей, между льдинами могут возникать коридоры практически лишенные льда, в которые рыболов — блеснильщик и рискует провалиться.

Содержание

1. Факторы влияющие на прочность льда
2. Передвижение по льду на транспорте
3. Возможные опасности
4. Оснастка для передвижения по льду

Факторы влияющие на прочность льда

Сначала лед образуется неравномерно, но по мере дальнейшего остывания воды он нарастает в спокойную погоду со скоростью 2,5 мм в сутки на один градус мороза. Если, например, температура воздуха составляет — 4 градуса, то можно сказать, что за сутки может образоваться лед толщиной в сантиметр.

Приведем для наглядности таблицу прироста льда, в зависимости от температуры окружающей среды.

Мнение эксперта

Александр Петрович

участник Чемпионата России по ловле на поплавочную удочку

Стоит учесть, что мутная или солоноватая вода замерзает хуже чистой и пресной, и, соответственно, прирост толщины льда происходит медленнее.

Большое влияние оказывают и другие факторы:

• глубина водоема;
• сила течения;
• толщина снежного покрова;
• сила ветра и т.п.

Мощность ледяного покрова обычно увеличивается со столь прямой зависимостью на небольших мелких озерках. В крупных озерах, не говоря уж о море, большая масса воды на глубоких участках замедляет замерзание и скорость нарастания мощности льда невозможно определить с берега.

Снег, ложащийся на прозрачный, толщиной один — два сантиметра ледок – это еще одна опасность для рыболова — блеснильщика. Уже небольшой слой снега замедляет нарастание льда или даже прекращает его полностью.

Если же снега наметет на первый лед как следует, то мощный снежный покров прижимает лед к поверхности воды. Через трещины на поверхность льда вытекает вода. Передвижение по льду при этом становится трудным и весьма опасным, поскольку лед может проломиться или даже растаять в воде под снегом.

Вода, вытекшая на лед, впитывается в снег, образуя слякоть. На этих слякотных участках после их замерзания возникают наледи. Несущая способность ноздреватого и хрупкого льда на участках наледи наполовину меньше, чем у обычного.

Разница температур между верхней и нижней поверхностью льда в особенности при резком похолодании обусловливает неравномерное увеличение ледяного покрова и образование полыней. Вода поднимается через полыньи на лед и замерзает. При потеплении замерзшая в полыньях вода препятствует расширению льдин до их исходного размера. В ледовом покрове возникают внутренние напряжения, которые выталкивают лёд на берег, вследствие чего создаются нагромождения льда, торосы.

Пятисантиметровый лед уже держит! Прочность льда следует измерять на ровном ледяном поле. Под человеком, идущим в одиночку, должно находиться, по меньшей мере, 5 см, а для езды на снегоходе толщина льда на ровном месте должна составлять 15 см. На автомашине по льду безопасно передвигаться только по отмеченным ледяным трассам.

Мнение эксперта

Александр Петрович

участник Чемпионата России по ловле на поплавочную удочку

Лед, образовавшийся в ветреную погоду, более хрупок, чем лед, возникший в штиль. Морской лед легче ломается, чем лед на пресных водоемах.

Трещины снижают несущую способность льда, даже если они и не являются сквозными. На краю трещины прочность льда составляет всего лишь 40 процентов от прочности сплошного льда. Прочность ледяного панциря в месте пересечения трещин и того меньше, и составляет всего четверть от исходной.

Прочность льда может и на небольшом расстоянии значительно меняться в зависимости от глубины, рельефа дна и течений. Поэтому пеший путешественник должен время от времени проверять толщину льда.

Передвижение по льду на транспорте

При езде по льду на снегоходе или на каком-нибудь ином средстве передвижения, на несущую способность льда, помимо его толщины, влияет возникающее от транспортного средства движение волн воды подо льдом. Прочность льда минимальна тогда, когда скорость транспортного средства выше, чем скорость опережающего движения волны.

При приближении к берегу скорость движения должна быть менее 20 км/час, а береговую линию следует буквально переползать как при возвращении, так и при съезде на лед. Следует остерегаться льда, который может просто висеть на прибрежных камнях. Скорость необходимо снижать также при сближении с другим снегоходом.

При езде друг за другом, сзади идущий снегоход подвергается большей опасности из-за волновых движений воды и льда.

Возможные опасности

Весенний лед опасен! Весной, при повышении температуры, во льду образуются вертикальные полости. Достоверных значений несущей способности льда с нарушенной структурой нет. Такой лед может и при толщине 30 см подвести рыбака — подледника.

Под снегом, набившимся в трещины и образовавшим теплоизолирующий сугроб, лед весной настолько слаб, что иногда просто полностью тает. Поэтому весной сугробы лучше обходить стороной.

Мнение эксперта

Александр Петрович

участник Чемпионата России по ловле на поплавочную удочку

Опасные ситуации часто складываются в теплые весенние дни, когда рыболовы — блеснильщики выходят на места лова еще в сумерках по крепкому от ночного мороза льду. Уже ко второй половине дня лед может ослабнуть настолько сильно, что рыболову часто даже трудно себе представить.

Именно по этой причине ежегодно и проваливается под лед громадное количество любителей зимней рыбалки!

Реки и проливы, а также устья рек и ручьев также представляют собой опасные места. В проливах течение усиливается, а если где-то на узком месте еще и дно повыше, то течение становится очень значительным. Течения в озерах зачастую съедают лед на оконечных участках мысов.

В море течение поддерживает движение прибывающей или отступающей воды. На мелководных и узких участках лед может значительно истончаться на протяжении всего лишь нескольких метров.

Непрочен лед и в местах расположения различных канализационных выпусков. Мосты, причалы и крупные камни особенно сильно нагреваются на весеннем солнце и могут быть причиной течений, вследствие которых лед поблизости от них ослабевает.

Опасные места в начале сезона могут представлять собой плохо замерзшие глубокие участки водоемов. Весной опасность опять таится у берега, где камыши, вода, стекающая с суши, и крупные камни способствуют увеличению хрупкости льда.

Весенние воды, бегущие поверх льда, разъедают старые рыбацкие лунки настолько, что в них может провалиться и человек. Также, чаще всего на небольших лесных озерах, я натыкался на подводные родники, которые особенно активны в марте-апреле. Кое-где следы на льду рассказывают о провалившемся под лед над таким родником и долго сражавшемся за жизнь прежде, чем выбраться на лед, лосе.

Лыжи хорошо держат на тонком льду, но если провалишься, то возникает реальная опасность для жизни. Финские санки тоже неплохо справляются с опасностью, поэтому на ненадежном льду лучше идти пешком и толкать сани. Слишком бодрый шаг скорее приводит к коварному месту.

Саамские сани (без полозьев) обезопасят путешественника, если сложить в них груз. В случае, если провалишься, то ледобур и тяжелый рюкзак не будут мешать выбираться из воды и уменьшается риск погубить свое снаряжение.

Оснастка для передвижения по льду

Для перемещения по льду самое надежное оснащение – это плавающий спасательный костюм. По своей плавучести, достаточно большой спасательный костюм способен удержать человека на поверхности, но при этом он пропускает воду.

Можно увеличить плавучесть, упаковав вещи прежде, чем положить их в рюкзак, в герметичные полиэтиленовые пакеты. Помните, что при этом рюкзак должен быть подвязан к поясу, иначе в воде он может подняться выше вашей головы.

Палка с металлическим наконечником – хорошее приспособление для проверки толщины льда. Палки – «спасалки» нужны для того, чтобы выбраться из полыньи. Звук свистка слышен дальше, чем крики. Для помощи товарищу пригодится 15-20-ти метровая веревка, а при переохлаждении поможет или даже спасет жизнь гипотермический мешок.

Эксперимент с замерзающей водой — урны для маленьких ручек

Любите простые научные эксперименты? ДА!! А вот еще один, который обязательно понравится детям! Исследуйте точку замерзания воды и узнайте, что происходит, когда вы замораживаете соленую воду. Все, что вам нужно, это несколько мисок с водой и соль. Мы любим легкие научные эксперименты для детей!

ЭКСПЕРИМЕНТ С ЗАМЕРЗАНИЕМ СОЛЕНОЙ ВОДЫ

НАУКА ДЛЯ ДЕТЕЙ

Этот простой эксперимент с замерзающей водой отлично подходит для изучения температуры замерзания воды и ее сравнения с соленой водой.

Наши научные эксперименты думают о вас, родителях или учителях! Легко настроить, быстро сделать, большинство действий займет всего 15-30 минут и доставят массу удовольствия! Кроме того, наши списки расходных материалов обычно содержат только бесплатные или дешевые материалы, которые вы можете достать из дома.

Посмотрите наши любимые эксперименты по химии и физике!

Возьмите немного соли и миски с водой (предложение — продолжить этот эксперимент с нашим экспериментом по плавлению льда) и исследовать, что происходит, когда вы замораживаете воду с солью и без нее!

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАУЧНОГО МЕТОДА

Научный метод – это процесс или метод исследования. Выявляется проблема, собирается информация о проблеме, на основе этой информации формулируется гипотеза или вопрос, и эта гипотеза подвергается экспериментальной проверке, чтобы подтвердить или опровергнуть ее достоверность. Звучит тяжело…

Что это значит?!? Научный метод следует использовать просто как руководство, помогающее руководить процессом.

Вам не нужно пытаться решить самые большие научные вопросы в мире! Научный метод заключается в изучении и изучении вещей вокруг вас.

По мере того, как дети осваивают практики, включающие создание, сбор данных, оценку, анализ и общение, они могут применять эти навыки критического мышления в любой ситуации. Чтобы узнать больше о научном методе и о том, как его использовать, нажмите здесь.

Хотя кажется, что научный метод предназначен только для больших детей…

Этот метод можно использовать с детьми всех возрастов! Проведите непринужденную беседу с младшими детьми или сделайте более формальную запись в блокноте со старшими детьми!

Щелкните здесь, чтобы получить свой проект по науке о замерзающей воде для печати!

ЭКСПЕРИМЕНТ С ЗАМЕРЗАНИЕМ ВОДЫ

Хотите больше экспериментов с водой? Посмотрите 30 забавных экспериментов с водой!

ПРИНАДЛЕЖНОСТИ:

• 2 миски
• Вода
• Соль
• Ложка

ИНСТРУКЦИИ:

ШАГ 1: Промаркируйте миски и «Миску 1».

ШАГ 2: Отмерьте 4 стакана воды для каждой миски.

ШАГ 3: Добавьте 2 столовые ложки соли в миску 2 небольшими порциями, постоянно помешивая.

ШАГ 4: Поместите обе миски в морозильную камеру, проверьте миски через час, чтобы увидеть, как они изменились.

Дополнительно – используйте термометр для измерения воды в обеих чашах.

ШАГ 5: Перепроверьте их через 24 часа. Что ты заметил?

ТОЧКА ЗАМЕРЗАНИЯ ВОДЫ

Точка замерзания воды составляет 0° по Цельсию / 32° по Фаренгейту. Но при какой температуре замерзает соленая вода? Если в воде есть соль, температура замерзания ниже. Чем больше соли в воде, тем ниже будет температура замерзания и тем дольше вода будет замерзать.

Что происходит, когда вода замерзает? Когда пресная вода замерзает, молекулы водорода и кислорода связываются вместе, образуя лед. Соль в воде затрудняет связывание молекул со структурой льда; в основном соль мешает молекулам, блокируя их соединение со льдом.

Вот почему соленая вода замерзает дольше. Именно поэтому на обледенелых дорогах иногда используют соль, чтобы замедлить замерзание и сделать движение по ним более безопасным.

БОЛЬШЕ ЗАБАВНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ, ЧТОБЫ ПОПРОБОВАТЬ

Сделайте плавающий рисунок с помощью нашего эксперимента сухого стираемого маркера.

В этом эксперименте с шариком из содовой надуйте воздушный шарик, используя только газировку и соль.

Сделать самодельную лавовую лампу из соли.

Узнайте об осмосе, поучаствовав в этом веселом эксперименте с картофельным осмосом вместе с детьми.

Исследуйте звуки и вибрации в этом веселом эксперименте с танцующими брызгами.

Возьмите несколько шариков, чтобы использовать их в этом простом эксперименте с вязкостью.

ЭКСПЕРИМЕНТ С ЗАМОРОЖЕННОЙ ВОДОЙ ДЛЯ ДЕТЕЙ

Нажмите на изображение ниже или на ссылку, чтобы увидеть более простые научные эксперименты для детей.

Почему соль снижает температуру плавления льда

Когда наступает зимний сезон, вы, возможно, видели, как сотрудники дорожного департамента посыпают дорогу солью, чтобы растопить лед.

И лучший простой пример, где вы будете наблюдать такое состояние, — это наши дома. Когда мы готовимся делать мороженое дома, мы будем использовать соль в качестве одного из ингредиентов для снижения температуры.

В приведенных выше сценариях мы используем соль.

Но знаете ли вы причину этого?

Почему мы это делаем?

Почему соль снижает температуру замерзания воды?

Как соль снижает температуру замерзания воды?

Когда вы делаете мороженое, температура вокруг смеси для мороженого должна быть ниже 32 F, если вы хотите, чтобы смесь замерзла. Соль, смешанная со льдом, создает рассол с температурой ниже 32 F. Когда вы Добавив соль в воду со льдом, вы понизите температуру таяния льда до 0 F или около того. Рассол настолько холодный, что легко замораживает смесь для мороженого.

Но как насчет таких мест, как Антарктида, Гренландия и Канада, пресная вода в воздухе замерзает в снег и выпадает на землю без сезона таяния, чтобы избавиться от нее. Со временем этот снег накапливается и уплотняется в ледник.

Типичная температура замерзания пресной воды составляет 0° по Цельсию [32° по Фаренгейту]. Как правило, молекулы воды состоят из молекул водорода и воды, и они связаны друг с другом в кристаллическую структуру льда. В конце концов, молекулы движутся так медленно, что больше не могут избежать межмолекулярного притяжения между молекулами воды. В результате действия этих сил образуется решетка из молекул воды, и вода становится льдом.

Во время этого фазового перехода молекулы воды входят и выходят из твердого тела с одинаковой скоростью. Соль нарушает это равновесие просто своим присутствием. С добавлением соли на границе между жидкостью и твердым телом присутствует меньше молекул воды. Другими словами, частицы соли блокируют повторный вход молекул воды в твердую фазу, поэтому больше молекул воды уходит и меньше входит в твердую фазу.

Когда температура еще больше понизится, молекулы воды, покидающие твердую фазу, замедлятся еще больше, и скорость в конечном итоге сравняется со скоростью, с которой молекулы воды могут найти твердую фазу в присутствии соли. Когда скорость, с которой вода покидает твердое тело, уравновешивает скорость, с которой входят молекулы воды, устанавливается новая (более низкая) точка замерзания.

Соленость морской воды мирового океана в среднем составляет около 3,5% (35 г/л, или 0,600 м). Другими словами, каждый килограмм морской воды содержит примерно 35 граммов (1,2 унции) растворенных солей, в основном присутствуют ионы натрия (Na ⁺ ) и хлорида (Cl ^— ). Из-за этих солей морская вода более плотная, чем пресная и чистая вода. Поэтому температура замерзания морской воды снижается по мере увеличения концентрации солей.

Хотя соленость морской воды варьируется, это снижает точку замерзания океанской воды примерно до -1,8°C или 28,8°F. Так вода в океане замерзнет.

Еще одним фактором, влияющим на замерзание океанской воды, является океанское течение. Океанское течение можно описать как объединение тепловой конвекции, создающее крупномасштабные потоки океанской воды. Это постоянное движение океанской воды помогает удерживать молекулы воды от замерзания до стационарного состояния кристаллов льда.