БАТОМЕТР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ШУГИ В ПРОБЕ ВОДЫ

Вопросы обеспечения бесперебойной работы гидроэлектрических станций в зимнее время получают особо актуальное значение в связи с развитием целого ряда как крупных, так и более мелких гидростанций. Наблюдавшиеся на переданных в эксплоатацию гидростанциях аварии, обусловленные явлениями образования донного льда и шуги и нанесшие большие убытки и ущерб народному хозяйству, вынуждают вновь интересоваться теорией и практикой борьбы с донным льдом и шугой, ибо, как показало изучение зимних затруднений в работе станций, большинство из них зависит от образования упомянутых выше особых видов льда.

Существующие в настоящее время теории образования донного льда и шуги дают не только объяснения причин образования донного льда, но в некоторых случаях позволяют вычислить количественную сторону явления. Однако, отсутствие крупных льдоисследовательских лабораторий, с одной стороны, и соответствующей аппаратуры, с другой стороны, не дают возможности проверить на практике предлагаемые теоретические зависимости. В частности, вопрос о кристаллизации льда внутри водной массы и о распределении шуги по живому сечению потока является недостаточно изученным и наличие прибора, позволяющего определять расход шуги на любой глубине потока, в значительной мере помог бы разрешить целый ряд проектных задач и подтвердить правильность выдвинутых теорией положений образования донного льда.

Предлагаемый батометр и предназначен для определения количества шуги в пробе воды путем измерения количества тепла, требуемого для превращения шуги в воду, и в своей конструкции для достижения указанной цели имеет ту особенность, что он снабжен нагревательной обмоткой и вставленными внутрь батометра термометрами.

На чертеже фиг. 1 изображает вид предлагаемого батометра; фиг. 2 - разрез его по АВ на фиг. 1; фиг. 3 - деталь батометра.

В конструктивном отношении прибор имеет внешнее сходство с батометром Жуковского (фиг. 1 и 2) и представляет собой цилиндр 7 с изотермическими стенками (эбонитовая гильза с двойными стенками). На концах этого цилиндра укреплены крышки 2, обладающие также теплонепроницаемостью. В нужный момент крышки посредством пружины 3, собачек 4, тяги 5 и шнура 6 могут закрываться, причем плотность закрытия достигается прокладкой между крышками 2 и цилиндром 1 уплотняющего упругого кольца 7 (например, из резины).

К крышкам 2 прикреплены плоские электрические термометры 8, концы проводов которых подведены к штепсельным гнездам 9. Внутри цилиндра 1 установлены электрогрелки 10, для питания которых к штепсельным гнездам 9 подводится ток из аккумуляторов. Для ориентировки прибора по течению реки служит руль 12, наглухо прикрепленный к телу цилиндра. Уничтожение пловучести прибора достигается свинцовым грузом 11, укрепленным в нижней части батометра. В верхней части цилиндра 1 имеется вынос 13 (фиг. 3) для укрепления гидрометрической вертушки 14. Все контрольно - измерительные приборы, служащие для определения силы тока и напряжения, а также аккумуляторы располагаются отдельно от шугобатометра я соединяются с ним проводниками.

Работа с прибором производится следующим образом. Батометр в открытом виде опускается на штанге 15 на нужную глубину потока; по прошествии 3-4 мин., когда температура батометра сравняется с температурой потока, дергая за шнур 6, захлопывают крышки 2 и производят измерение температуры Т₁ воды в батометре, пользуясь термометрами 8; затем включают грелки 10. Нагрев воду в батометре до температуры T₂=+0,1°, грелки 10 выключают. Продолжительность периода включения грелок t измеряется по секундомеру. Одновременно измеряется напряжение Е и сила тока I, питающего грелки.

Полученные таким путем величины Т₁, T₂, t, I, Е, позволяют определить количество шуги, находящейся в пробе воды, пользуясь уравнением баланса тепла калориметра с изотермическими стенками.

Если ввести следующие обозначения:

W - емкость батометра (калориметра),

X - количество шуги во взятой пробе воды,

α - теплоемкость воды,

β - скрытая теплота плавления льда,

Т₁ - начальная температура воды,

T₂ - температура воды после подогрева,

t - продолжительность работы электрогрелок,

Q - количество тепла, израсходованного грелками,

I - сила тока,

Е - напряжение в цепи,

С - потери тепла на радиацию,

то количество тепла, сообщенного грелками калориметру, пойдет на подогрев воды в объеме W-X от температуры T₁° до 0°, на таяние объема шуги X, на подогрев всей массы воды от 0° до температуры Т₂° и на потери тепла путем радиации через стенки калориметра, т.е.

откуда, сделав соответствующие преобразования, получаем:

и

подставляя вместо Q его значение 0,2389 EIt, получаем:

Так как температура внутри калориметра будет весьма мало отличаться от температуры окружающей среды (батометр во время производства наблюдений не вынимается из воды), то потери тепла на радиацию будут весьма незначительными и ими можно пренебречь.

Таким образом, окончательно получаем:

В полученной формуле (lV) значение Е, I, t, Т₁, Т₂ получаются непосредственно наблюдениями. Емкость батометра постоянна для каждого экземпляра прибора и определяется опытным путем перед производством работ. Значение теплоемкости воды следует принять равным 1,0091, т.е. значению теплоемкости воды при 0°. Скрытая теплота плавления льда β=79,5 кал.