Сиско Марк, Тынаев Арген, г. Красноярск, МБОУ ДО ЦДО "Аэрокосмическая школа"

Тынаев Арген Момунжанович, Сиско Марк Евгеньевич

г. Красноярск, МБОУ СОШ № 5, МБОУ ДО ЦДО «Аэрокосмическая школа», 9 класс

«Исследование способа предотвращения образования сосулек»

Научный руководитель: Дмитриев Сергей Анатольевич, специалист международного уровня по ТРИЗ 

Аннотация

Цель работы: Исследование возможности предотвращения образования ледяных наростов (сосулек) на кромках крыш.

Методы проведенных исследований: Методики теории решения изобретательских задач ТРИЗ: причинно-следственный анализ, типовые приёмы разрешения противоречий, методика решения исследовательских задач, экспериментальная проверка найденных решений.

Основные результаты научных исследований. Построена причинно – следственная модель процесса образования наледи на кромке крыши, выявлена ключевая задача по устранению корневого нежелательного эффекта – смачиваемости материала кровли крыши, предложена идея нанесения гидрофобного слоя с использованием фторопластового лака, производимого промышленно, произведены физические эксперименты с регистрацией образования ледяных наростов. Результаты экспериментов подтвердили существенное влияние смачиваемости материала на механическое сцепление наледи на кромке материала, но при малых углах наклона, наледь на гидрофобном слое (фторопластовая лента) образовывалась. Для объяснения механизма образования наледи на гидрофобном материале использовалась известная в ТРИЗ методика решения исследовательских задач с использованием приема «обращения» научной задачи в изобретательскую. Сформулирована гипотеза образования наледи на гидрофобном слое. В результате проведенной работы существенно углубились представления о механизме образования ледяных сосулек, позволяющие определить дальнейшие пути предотвращения сосулек на крышах зданий.

ВВЕДЕНИЕ

В весенний период таяния накопившегося на крышах зданий запасов снега на краях крыш зданий появляются ледяные образования – «сосульки». Самопроизвольный отрыв сосулек от края крыш под влиянием случайных факторов создает опасность для людей и транспорта, оказавшихся в момент отрыва под сосульками. Ограждение опасных мест, механическое принудительное обрушение сосулек являются трудоемкими мероприятиями и проведение таких мероприятий в короткий период снеготаяния в масштабах города для служб муниципалитета в полном объеме невозможно. Использование обогревающих систем крыш в масштабах города значительно дорого.

Как быть?

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Обрывающиеся сосульки являются источниками высокой опасности для людей и транспорта. Процесс образования наледи на кромке крыши представляет собой сложный процесс с множеством одновременно действующих причин. При составлении причинно-следственного анализа используются различные факторы, влияющие на образование данной проблемы, в данном случае появление сосулек.  (Факторы: температурно – влажностный режим, поток солнечной энергии, наклон, шероховатость, отражательная способность крыши, теплопроводность и теплоизоляционные свойства крыши, конструкция дома, теплофизические характеристики воды, ее прозрачность, смачивание водой поверхности материала крыши, коэффициенты трения, само наличие снега на крыше, толщина, плотность и неравномерность снежного покрова, механические свойства льда. [1].

Формулирование ключевых задач для поиска конкретных технических решений предотвращения образования «сосулек» применяется известный в ТРИЗ причинно-следственный анализ [2].

Ниже представлена причинно-следственная модель целевого нежелательного эффекта – высокой опасности от множества первичных причин (корневых нежелательных эффектов). Рисунок 1.

 Данная модель была построена в результате длительного итерационного процесса выявления различных причин образования наледи у становления их причинно – следственной связи на целевой нежелательный эффект ЦНЭ – опасность поражения людей и транспорт сосульками. Окончательный этап построения модели осуществлялся в программе «GoldfireInnovator». Ключевой нежелательный эффект на модели находился в начале цепочки, приводящей к полному устранению ЦНЭ.

Рисунок 1. Причинно - следственная модель опасности ледяных сосулек

Причинно-следственный анализ помог выявить КНЭ корневые нежелательные эффекты – причины, приводящие к образованию сосулек:

- прозрачность воды,

- смачиваемая поверхность крыши.

Корневой нежелательный эффект смачиваемость является ключевой задачей, подлежащей решению.

ОПИСАНИЕ НАЙДЕННОГО РЕШЕНИЯ

 Задача решается по стандарту 1.2.1. – введение третьего вещества  достаточно дешевого между материалом крыши и водой.

Предлагается в качестве наиболее общего решения, использовать покрытие краевых участков и кромок крыш гидрофобным материалом. В качестве такого материала предлагается использовать, например, фторопластовый лак.  Авторами  было предложено обрабатывать краевые участки и кромки крыш зданий покрытием и составами, резко уменьшающими смачиваемость материалов крыш водой (гидрофобными составами). В качестве такого материала было предложено использовать фторопластовый лак, производящийся  промышленно, например  ЛФ-32 или ЛФ-42. [3]

Предложение будет работать следующим образом.

 В сложном физическом процессе образования наледи на краю крыши и сосулек участвует множество факторов. Удержание наросшей наледи на краю крыши обеспечивается силами сцепления льда и поверхности крыши, зависящими от площади их сцепления. Величина площади сцепления зависит от смачивания водой материала крыши. Все крыши делаются из материалов, смачиваемых водой. Однако существуют материалы, обладающие гидрофобными (водоотталкивающими) свойствами: смазанные жиром поверхности, мастики и т.д. Но уникальными гидрофобными свойствами обладают фторопласт – материал, который находит широкое применение в электротехнике, изготовлении антипригарной посуды, футеровки химических емкостей и в других областях. Но фторопласт сложно нанести на кромки крыши. Промышленностью выпускаются фторопластовые лаки. Если нанести слой фторопластового лака  на край крыши, кромки, то стекающая при таянии вода на этих участках крыши не будет смачивать поверхность, не будет  и смерзаться с поверхностью крыши. Таким образом, наледи не будут нарастать до опасных масс, так как силы сцепления наледи с крышей будет недостаточны для удержания веса этих наледей.

Найденное решение нужно проверить на практике в лабораторных условиях.

Для экспериментальной проверки идеи был собран макет установки. Макет установки состоит из стола, на нём установлен материал крыши, а сверху нагреватели в виде электрических лампочек. Опыт проводился в неотапливаемом помещении в зимний период 2013 – 2014 гг. с температурой воздуха до – 30 град. Для проведения опыта часть края материала крыши покрывали фторопластовой лентой. (Фторопластовый лак к моменту испытаний достать не удалось). Второй участок края крыши был покрыт полиэтиленовой пленкой и третий участок оставался непокрытым. Материал крыши имел угол наклона около 30 градусов. Рисунок 2.

Рисунок 2.

На поверхность «крыши» насыпался снег, включался ламповый обогреватель. Через некоторое время (несколько часов), снег начинал таять. На кромке крыши образовывались сосульки. Процесс образования регистрировался фото и видеоаппаратурой.

Проведенные эксперименты позволили подтвердить теоретические представления об образовании ледяных сосулек на кромках крыши, сформировавшиеся на предыдущем этапе работы, однако привнесли неожиданность. Сосульки образовались на материале крыши, покрытом фторопластовой лентой. Несмотря на то, что сосульки, образовавшиеся на участке с фторопластовой лентой, были непрочно сцеплены с поверхностью материала в сравнении с другими участками,  (рисунок 4, рисунок 5) видно перемещение сосульки. Неожиданное явление требовалось объяснить.

Рисунок 4. Образование сосулек на участке с фторопластовой лентой

Рисунок 5. Сосульки на участке с фторопластовой лентой легко сдвигаются

Появляется задача: Найти гипотезу образования сосульки на участке с фторопластовым (гидрофобным) покрытием.

Для этого используем методику решения исследовательских задач, известную в  теории  решения изобретательских задач ТРИЗ. (http://www.trizway.com/content/reshenie%20issledovatelskih%20zadach%202.pdf)

Решение исследовательской задачи

1. Формулировка исходной исследовательской задачи.

Система для наблюдения ледяных образований включает воду, снег, крышу, нагреватели, фторопластовое покрытие. При условии, что кромка покрыта гидрофобным покрытием (фторопластом), происходит образование сосульки, когда сосульки не должны образоваться. Требуется объяснить почему.

В качестве Системы выбран макет установки.

2. Формулировка обращенной задачи.

Система для наблюдения ледяных образований включает воду, снег, крышу, нагреватели, фторопластовое покрытие.

Необходимо при условии, что кромка покрыта гидрофобным покрытием (фторопластом) обеспечить образование сосульки.

3. Паспортизация ресурсов.

Вещества: вода, снег, крыша, нагреватели, фторопластовое покрытие.

Поля: холод среды, тепло нагревателя, сила тяжести, скатывающая сила, сила поверхностного натяжения.

4. Поиск известных решений.

Аналогом является образование сталактитовые образования в пещере. При увеличении свободной поверхности раствора происходит кристаллизация слаборастворимых солей кальция. Возникла гипотеза - вследствие увеличения свободной поверхности капли на кромке происходит кристаллизация воды в капле.

           5. Поиск необходимых эффектов: Фазовый переход, испарение.

6. Поиск новых решений. Попытки использовать типовые приемы разрешения противоречий изобретательских задач не позволили сформулировать новую гипотезу.
7. Формулировка гипотезы. 

Когда капля скатывается по поверхности материала крыши, она имеет определенную  площадь соприкосновения с воздухом, когда капля доходит до края материала крыши, капля начинает растягиваться, одна часть капли удерживается за поверхность материала крыши, а другая часть капли перемещается вниз. Это происходит из-за того, что капля имеет поверхностное натяжение. Увеличиваясь в площади, капля начинает интенсивней испаряться, так как испарение прямо пропорционально площади жидкости, и, соответственно охлаждается. Капля, охлаждаясь на краю крыши, обретает промежуточное состояние между переходом от жидкого состояния в твёрдое. В этом состоянии образуется состояние вязкости воды (рисунок 6), на фотографии представлен жидкий лёд, его вязкое состояние.

Рисунок 6. Образование жидкого льда

Капля теряет подвижность и останавливается на кромке  крыши. В дальнейшем к этой капле скатывается другая капля и примерзает к ней. Так происходит нарастание наледи и образуется сосулька. Сила поверхностного натяжения капли с поверхностью гидрофобного материала достаточна,  чтобы удержать данный вес капли.

Так зарождается ледяная сосулька. Она же становится механическим препятствием для скатывания последующих капель. Выстраивается «цепочка», образующая ледяное образование. (рисунок 7).

Рисунок 7

Но появляется другая задача: Что нужно сделать, чтобы сосульки не образовывались на фторопластовом покрытии?

Провели следующий опыт. В этом опыте использовались те же средства, но угол наклона крыши был увеличен примерно до 40-45 градусов. В результате сосульки не образовывались на фторопластовой ленте. (рис.8)

Рисунок 8

Скатывающая сила в этом случае превышает силу удержания капель на кромке крыши с фторопластовым покрытием и из-за этого капли не удерживаются на кромке крыш. Что подтверждает работоспособность способа предотвращению образования сосулек на крышах здания, для крыш с достаточно крутыми углами наклона.

8. Новые задачи
9. Так объясненная гипотеза имеет отрицательный эффект, то необходимо поставить задачу на устранение отрицательного эффекта.

Итак, скатывающаяся капля воды, имеющая температуру таяния и граничное состояние «жидкость – твердое» на кромке крыши растягивается. При этом увеличивается площадь поверхности капли.  См.  рис.7. Вследствие увеличения площади, усиливается испарение и снижается температура капли, что приводит к увеличению вязкости капли и к прекращению ее движения. Как быть?

В причинно – следственной модели см. рис.1, видна роль таких физических причин, как прозрачность воды и цвет (отражающая способность) поверхности крыши. Падающий солнечный поток, проходя через прозрачный слой воды, отражается и частично поглощается материалом крыши. При этом, нагрев поверхности крыши зависит от поглощающих характеристик материала, цвета ее поверхности.

Предлагается, покрыть кромку крыши слоем черного (поглощающего) цвета. В этом месте, температура кромки крыши будет выше, и, возможно, капли не будут задерживаться на кромке.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РАБОТЫ С ФТОРОПЛАСТОВЫМ ЛАКОМ.

В зимний период 2014-2015 гг. были проведены следующие работы.

1. На реальном волнистом шифере наносились слои фторопластового лака, шириной 3, 5 и 10 см от кромки листа. Снизу наносился слой примерно 1-2 см. Лак наносился согласно заводским рекомендациям в три слоя, включая торцевую поверхность листа. На образце 1 наносился лак марки ЛФ-32Л, на образце 2 – ЛФЭ-32ЛНХ.
2. Для количественной и качественной сравнительной оценки смачиваемости поверхностей проводился следующий опыт. Плоский асбоцементный лист (шифер) покрывался на участках примерно 10х10 см лаками марок ЛФ-32Л и  ЛФ-32Л.
3. Образец смачивался водой и затем аккуратно переворачивался. На участках покрытых лаком оставались капли воды, непокрытый лаком участок оказывался смоченным сплошь. Рисунок 9.

Рисунок 9. Существенное уменьшение смачиваемости асбоцементного листа, покрытого слоем фторопластового лака

4. Смоченный участок фотографировался с высоким разрешением. Рисунок 10.

Рисунок 10. Фотография смоченного лаком участка

5. Фильтровальной бумагой с заданного участка 10х10 см смоченного лаком собирались капли воды. Осуществлялось взвешивание сухой и смоченной бумаги на электронных весах с точность до сотых долей грамма. Рисунок 11
6. Суммарная площадь капель на выделенном участке вычислялась путем обведения контуров капель в программе CORELDRAW 12. С последующим вычислением площадей кругов через их радиусы в программе EXCEL.
7. Результаты расчета по обработке трех экспериментов на площади 10х10 см. Таблица 1:

Таблица 1. Результаты расчетов смачиваемости образцов

Рисунок 11. Взвешивание массы капель воды на участках покрытых лаком

8.  Для наблюдения за процессом образования сосулек образцы волнистого шифера, покрытые лаком устанавливались в неотапливаемом помещении под углами от 7 до 30 град. Из литературы известно, что рекомендуемый наклон шиферных крыш составляет 36 град.  На образцы насыпался слой снега и включались ламповые обогреватели. Ставилась задача: образовать сосульки на кромках шифера и вырастить их до максимально возможного размера. Процесс записывался на видео и фотографировался.  Рисунок 12.

 Рисунок 12.

ИНФОРМАЦИОННЫЙ ПОИСК ПО ТЕМЕ

В ходе работ над темой проводился поиск доступной информации из сети «Интернет». Работа над темой началась осенью 2012 года. Предложение по нанесению на кромки крыши слоя гидрофобного материала было публично представлено нами на краевом слете НТТМ в апреле 2013 года администрацией города Красноярска. Предложение вызвало интерес, и мэром города было дано поручение молодёжному центру «Зебра» оказать помощь в экспериментальной проверке предложенной идеи. Нами независимо от центра в зимний период 2013-2014 года были проведены эксперименты. В 2014-2015 года также была проведена новая серия опытов и работа с теоретическим материалом. Но недавно в сети «Интернет» был найден сайт производства фторопластового лака, которые производят его для продукта «антиналеди» и патент на работу (Рисунок 13).

        Рисунок 13.

В дальнейшем планируется получить продукцию фторопластового лака данных производителей, проверить её способность защиты крыши от образования сосулек, сравнить характеристики с покрытиями, с которыми уже были проведены эксперименты. В дальнейшем планируется создать способ по борьбе с сосульками, который будет более эффективный и экономичный.                                                                

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведенное исследование подтвердило гипотезу о существенном влиянии смачиваемости материала крыши на образование сосулек.

2. Физические эксперименты позволили выявить ранее неизвестные эффекты образования сосулек на кромках крыш, которые удалось объяснить, используя методику решения исследовательских задач, применяемых в ТРИЗ.

3. Управление образованием сосулек на поверхности, покрытом лаком и без лака позволяет утверждать, что процесс образования сосулек на кромках с лаком существенно сложнее, менее надежен. Так, в ходе экспериментов, требовалось подбирать экспериментально периоды пауз и излучения ламп, чтобы на покрытых участках росли сосульки.

4. Гидрофобные свойства фторопластовых покрытий (лаки, лента) не обеспечивают при углах наклона крыш менее 35 град. предотвращение образования сосулек. Но вероятность такого процесса существенно снижается.

ДАЛЬНЕЙШЕЕ РАЗВИТИЕ РАБОТЫ:

Планируется:

1.Углубить исследование в направлении выявление причин, ухудшающих гидрофобные свойства фторопластовых материалов.

2. Проверить экспериментально состав «Антиналедь».

3. Проверить экспериментально предложенное выше на шаге 8 решение с нанесением черной полоски на кромке крыши.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Эффективный способ предотвращение образования сосулек на карнизах фальцевых металлических крыш. http://www.stroyorbita.ru/index.php/technology/itemlist/category/13-ctatii
2. Методология инновационного проектирования : учеб. пособие /  С. А. Дмитриев, О. А. Краев, В. А. Федоров ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. – Красноярск, 2014. – 162 с. 
3. Фторопластовые покрытия. опыт и перспективы применения. В.В.Колесниченко, Д.Н. Трофимов http://www.plastpolymer.org/dokl2.htm
4. Поиск новых идей - От интуиции к технологии. Альтшуллер Г. С., Злотин Б. Л., Зусман А. В., Филатов В. И. Кишинев. 1989, 381c.