Методика оптимального регулирования температурного режима подземных сооружений Севера

Романова, Елена Константиновна

Автореферат диссертации по теме "Методика оптимального регулирования температурного режима подземных сооружений Севера"

На правах рукописи

РОМАНОВА Елена Константиновна

МЕТОДИКА ОПТИМАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ СЕВЕРА (на примере подземных холодильников)

Специальность 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничйая аэрогазодинамика и горная теплофизика»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003453054

Якутск-2008

003453054

Работа выполнена в Институте горного дела Севера им. Н.В.Черского СО РАН

Научный руководитель - доктор технических наук Хохолов Юрий Аркадьевич Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Петров Егор Егорович доктор технических наук, доцент Тимофеев Анатолий Михайлович

Ведущая организация: Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова

Защита состоится 9 декабря 2008 г. в 11— часов на заседании диссертационного совета ДМ 003.020.01 при Институте горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН по адресу: 677018, Якутск, пр. Ленина, 43, тел/факс 8(4112)33-59-30

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горного дела Севера им. Н.В.Черского СО РАН.

Оригиналы отзывов на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес Института.

Автореферат разослан « ¿Г» ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

СО РАН

канд. техн. наук

Ткач С.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Обеспечение энергетически эффективной и безопасной эксплуатации шахт, рудников и подземных сооружений различного назначения на Севере является одной из важнейших проблем горной науки и практики, успешное решение которой позволит улучшить экономические показатели работы горных предприятий, снизить энергетические и материальные затраты.

Одной из энергосберегающих технологий тепло- и холодоснабжения является аккумулирование тепловой энергии в массиве горных пород. Ярким примером использования данной технологии являются подземные холодильники криолитозоны, предназначенные для хранения замороженного продукта в летний период. Низкая естественная температура породного массива и значительная его теплоемкость позволяют накопить существенный запас холода в течение зимы и сократить энергозатраты на обеспечение требуемой температуры хранения продуктов в течение летнего времени.

Важнейшим требованием к длительной безопасной эксплуатации подземных сооружений криолитозоны является обеспечение устойчивости вскрывающих (входных) выработок, которые подвержены негативному воздействию ряда атмосферных факторов. Наиболее опасным является растепляющее воздействие атмосферного воздуха, приводящее к оттайке пород в летний период, что может привести к аварийным ситуациям. Одним из эффективных способов обеспечения устойчивости устьевых частей подземных выработок является теплоизоляция окружающих пород. Управляя термическим сопротивлением теплоизоляционного слоя можно сохранить мерзлое состояние пород или уменьшить глубину оттаивания до значений, при которых аварийные ситуации не возникнут.

Отсутствие научно обоснованных методик оптимального регулирования температурного режима выработок подземных холодильников криолитозоны требует постановки специальных исследований, направленных на совершенствование режимов естественной хладозарядки, летней эксплуатации и на обеспечение устойчивости выработок подземных сооружений.

В связи с вышеизложенным, разработка методики оптимального регулирования температурного режима подземных сооружений Севера является актуальной задачей.

Работа выполнена в рамках НИР ИГДС СО РАН «Совершенствование и разработка методов и средств оценки свойств, строения и состояния многолет-немерзлого массива горных пород с учетом происходящих в нем тепловых и . механических процессов для модернизации существующих и создания новых-" нетрадиционных технологий освоения недр Севера» (номер госрегистрации 01.200.115731), проекта 25.2.3 «Особенности деформирования и разрушения геоматериалов в условиях неоднородных температурных и силовых полей»,

хоздоговора №П-97/03 «Разработать рекомендации по строительству и эксплуатации подземного холодильника».

Идея работы заключается в использовании закономерностей теплообмена в горных выработках подземных сооружений криолитозоны для оптимального управления тепловыми процессами при их эксплуатации.

Целью работы является повышение энергетической эффективности и безопасности эксплуатации подземных сооружений в условиях Севера.

Для достижения поставленной в диссертации цели необходимо решить следующие задачи:

- провести натурные исследования температурного режима подземных сооружений;

- разработать математическую модель и методику расчета температурного режима подземных сооружений с учетом природно-климатических условий, конструктивных и технологических особенностей;

- определить оптимальные параметры регулирования температурного режима камеры подземного холодильника, обеспечивающие минимум эксплуатационных энергозатрат;

- определить оптимальные параметры теплоизоляции устьевой части подземного сооружения, обеспечивающие мерзлое состояние вмещающих пород в летний период.

Методы исследований - математическое моделирование тепловых процессов в горных выработках и породном массиве, методы вычислительной математики и программирования, численные методы решения задач теплообмена с фазовыми переходами, методы оптимизации, натурные исследования температурного режима подземного сооружения.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Трехмерная математическая модель теплообменных процессов в подземных сооружениях криолитозоны, отличающаяся тем, что учитывает природно-климатические (динамика изменения температуры атмосферного воздуха, толщины снега, скорости ветра), конструктивные (геометрические размеры и глубина заложения выработок, угол откоса склона) и технологические условия эксплуатации (дата начала, продолжительность и интенсивность вентиляции, дата загрузки и объем продукта).

2. Методика выбора оптимальных параметров регулирования температурного режима камеры подземного холодильника, позволяющая сократить годовые эксплуатационные энергозатраты на принудительную вентиляцию и выработку искусственного холода.

3. Методика выбора оптимальных параметров теплоизоляции устьевой части подземного сооружения, обеспечивающих сохранение мерзлого состояния окружающих горных пород в летний период.

Новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны трехмерные математические модели для прогноза температурного режима подземных сооружений криолитозоны, отличающиеся тем, что позволяют установить закономерности формирования температурного режима с учетом природно-климатических условий, конструктивных и технологических особенностей.

2. Впервые разработаны методика, алгоритмы и программы выбора оптимальных параметров регулирования температурного режима камеры подземного холодильника криолитозоны, обеспечивающих минимум энергозатрат на зимнюю хладозарядку и выработку искусственного холода.

3. Впервые разработаны методика, алгоритмы и программы выбора оптимальных параметров теплоизоляции устьевой части подземного сооружения криолитозоны, позволяющих при минимальном объеме теплоизолирующего слоя исключить сезонное оттаивание горных пород.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

-обоснованным применением численных методов решения задач теплообмена с использованием современных средств вычислительной техники; -удовлетворительным совпадением результатов расчета температурного режима камеры подземного холодильника с данными натурных наблюдений.

Практическое значение работы. Результаты проведенных исследований позволят:

- на стадии проектирования выбрать оптимальные конструктивные параметры подземных сооружений с заданными температурными условиями эксплуатации и рациональные параметры наружной теплоизоляции устья, которые обеспечат энергетическую эффективность и безопасность эксплуатации;

-в период эксплуатации выбрать оптимальные сроки и скорости вентиляции при зимней хладозарядке, оптимальные сроки загрузки продуктов на летнее хранение.

«Рекомендации по строительству и эксплуатации подземного холодильника» приняты СВЭС ОАО «Сахаэнерго» к применению.

Практическая ценность и новизна исследований подтверждаются также тем, что в Государственном фонде алгоритмов и программ зарегистрированы программы:

- «Расчет температурного режима подземных сооружений на основе трехмерной модели», № 50200400107;

-«Оптимизация толщины теплозащитного покрытия, возводимого в горных выработках зоны многолетней мерзлоты», №50200000036. Личный вклад автора состоит в:

- разработке трехмерных математических моделей для прогноза температурного режима подземных сооружений криолитозоны;

- разработке алгоритмов и программ расчета температурного режима подземных сооружений криолитозоны;

- определении оптимальных расходов воздуха и сроков зимней хладозарядки подземных холодильников, позволяющих сократить общие эксплуатационные затраты;

- обосновании рациональных параметров теплоизоляции устьевых частей подземных сооружений криолитозоны.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на: семинарах и заседаниях ученого совета ИГДС СО РАН (г.Якутск), научной конференции «Современные проблемы теплофизики в условиях Крайнего Севера» (г.Якутск, 2002, 2007 гг.), V Международном симпозиуме по инженерному мерзлотоведению (г.Якутск, 2002 г.), Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (г.Якутск, 2000,2004 гг.), Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы комплексного освоения месторождений полезных ископаемых криолитозоны» (г.Якутск, 2005 г.), V Международной конференции по математическому моделированию, посвященной 75-летию академика В.Н. Монахова (г.Якутск, 2007 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность горного производства в Республике Саха (Якутия)», (г. Якутск, 2008 г.), научной конференции «Неделя горняка» (г. Москва, 2006,2008 гг.).

Публикации. Основные результаты исследований отражены в 14 работах, в том числе в 4 статьях, опубликованных в научных изданиях, рекомендованных ВАК России.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Изложена на 157 страницах машинописного текста, включает 30 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 85 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен аналитический обзор научных работ, посвященных проблемам регулирования теплового режима шахт, рудников и подземных сооружений криолитозоны.

Анализ литературы показал, что на большинстве подземных холодильников Севера: не обеспечивается требуемая температура хранения продукта, что приводит к большим потерям продовольствия (до 50%); недостаточно эффективно используется естественный холод; отмечаются аварийные ситуации с обрушением выработок.

Технологические вопросы строительства и эксплуатации подземных холодильников в мерзлых грунтах изучались М.М. Крыловым, П.И. Мельниковым, Л.А. Мейстером, В.Ф. Тумелем, К.Ф. Войтковским, Н.Г. Мироновым и др.

Разработкой методов расчета теплового режима подземных холодильников криолитозоны занимались Н.Г.Миронов, A.B. Сидоренко, А.Ф. Зильберборд, В.А. Бобков, Н.С. Иванов, Б.В. Шургин, В.Ю. Изаксон, А.Ф. Галкин, Ю.А Хо-холов и др.

Проведенные перечисленными авторами исследования, хотя и дают возможность решать частные вопросы эксплуатации холодильников, однако не позволяют осуществить оптимальное регулирование температурного режима с учетом параметров зимней хладозарядки (дата начала, продолжительность, интенсивность) и параметров летней эксплуатации (дата загрузки и объем мороженого продукта, требуемая температура хранения), а также размеров, глубины заложения камер, возможности использования холодильных установок.

На основе анализа опубликованных научных работ и практического состояния дел сформулированы задачи диссертации, нацеленные на снижение энергетических и материальных затрат при эксплуатации подземных сооружений.

Во второй главе приведены результаты натурного исследования температурного режима подземного холодильника предприятия «Северо-Восточные электрические сети» ОАО «Сахаэнерго». Подземный холодильник располагается в 9 км к северо-западу от г.Якутска. Вход в холодильник (устье штольни) расположен на северо-восточном склоне уступа террасы реки Лены. Высота уступа 35 м, крутизна склона «22°.

Хладозарядка холодильника была проведена с конца октября до конца марта. Принудительная вентиляция началась в середине января до начала марта. По первой схеме вентиляции воздух в камеры поступал с интенсивностью 0,2-^0,3 м3/с. В середине феврачя была заменена схема вентиляции, и воздух начал поступать в камеры с интенсивностью 3,5^4 м3/с. Небольшой запас накопленного за зиму холода привел к тому, что температура воздуха в камерах оказалась недостаточной для длительного хранения свежемороженых продуктов. Температура воздуха в камерах в летний период составила -4,6~-8,8°С.

В летний период в результате оттаивания грунта склона над устьем штольни в нее стала проникать вода. Завалилась часть устья штольни холодильника. Был проведен ряд срочных работ по устранению аварийной ситуации. Наибольший эффект оказала теплоизоляция устья штольни.

Результаты проведенных натурных исследований подтвердили актуальность поставленных задач.

Третья глава посвящена выбору оптимальных параметров регулирования температурного режима подземного сооружения.

Рисунок 1 - Расчетная область £2, где У К, у2к, У г, 2,, - координаты границ области О.

Разработана трехмерная математическая модель тепло-обменных процессов в камере подземного сооружения, которая позволяет делать долгосрочный прогноз температурного режима камеры. Схема расчетной области приведена на рисунке 1.

Процесс распространения тепла в массиве горных пород описывается с помощью нестационарного уравнения теплопроводности с учетом фазовых переходов влаги:

ап+Яъ-у-Р-зд-Г)

где С(Т)~ объемная теплоемкость пород, Дж/(м3-К); Л(Т) - коэффициент теплопроводности пород, Вт/(м-К); Ьф - скрытая теплота фазовых переходов, Дж/кг; м> - влажность пород, доли единицы; р - плотность пород, кг/м3; Г* - температура плавления (замерзания) воды, С°; - функция Дирака; ц - номер фронта фазового перехода.

На границе области состоящей из поверхностей, ограничивающих камеру, Гк задается граничное условие третьего рода:

>-~ = а-{Т-Тт), {х,у,х)еГ„ (2)

Спг

К

где через д/5пг обозначена внешняя по отношению к области П нормаль к

границе Гк\ Теоз - температура воздуха в камере, °С; а - коэффициент теплообмена, Вт/(м2-К).

Коэффициент теплообмена в условиях вынужденной конвекции авк определяется по формуле:

• Л)0-8 • п°-г ■ р°-2

аш = 1,72 • , (3)

= а^„„-{Т~Т1Шрвт), (х,у,г)еГЛ1„ш, (5)

где сотз - скорость вентиляционного потока, м/с; реоз - плотность воздуха, кг/м3; Рк - периметр камеры, м; & — площадь поперечного сечения камеры, м2.

Формула для расчета коэффициента свободного конвективного теплообмена имеет вид:

(4)

Условие теплообмена на дневной поверхности Гднпов: дГ ду

где Тнареоз - температура наружного воздуха,'°С; аднпое - коэффициент конвективного теплообмена на поверхности почвы,

Коэффициент теплообмена на дневной поверхности рассчитывается с учетом скорости ветра и наличия снежного покрова.

На границах теплового влияния и на плоскости симметрии потоки тепла отсутствуют. В начальный момент времени задается распределение температуры горных пород.

Процесс распространения тепла в продукте описывается нестационарным уравнением теплопроводности с учетом теплоемкости продукта. На поверхности продукта задается граничное условие третьего рода, а на плоскостях симметрии продукта - граничное условие второго рода. В момент загрузки холодильника задается начальное распределение температуры продукта.

При моделировании теплопереноса в камере во время вентиляции наружным воздухом уравнение сохранения энергии имеет следующий вид:

0,5->К-К -с„-р„

X X у1.

, (6)

где Тт - средняя по сечению выработки температура воздуха, °С; св03, рв03, Леоз -удельная теплоемкость (Дж/(кг-К)), плотность (кг/м3), коэффициент теплопроводности (Вт/(м-К)) воздуха, соответственно; \¥к, Нк - ширина, высота камеры (м), соответственно.

Температура на входе в камеру равна:

тм = Т,шр „ + Ат, * = О, < I < , (7)

где ДТнарвоз- приращение температуры наружного воздуха по пути в камеру.

В режиме летней эксплуатации уравнение сохранения энергии в камере учитывает теплообмен, как с окружающим массивом горных пород, так и с продуктом, и в отличие от уравнения (6) не содержит конвективного члена, соош=0 (вентиляция остановлена).

Математическая модель теплообмена в камере подземного сооружения реализована численными методами конечных разностей. Применена локально-одномерная схема с использованием методики Самарского-Моисеенко.

Разработанная математическая модель позволяет провести долгосрочный прогноз температурного режима камеры подземного холодильника в зависимости от ее геометрических размеров и глубины заложения, от теплофизических свойств вмещающих пород, от режима загрузки продовольствия (теплофизических свойств, объема, плотности укладки продовольствия, даты загрузки), от режима зимней хладозрядки (даты начала и продолжительности вентиляции, расхода воздуха).

На рис. 2 показано влияние интенсивности зимней вентиляции на динамику изменения температуры воздуха в камере подземного холодильника. Хла-дозарядка проводилась в течение 4 месяцев, начиная с 1 ноября. Результаты расчета показывают, что увеличение расхода воздуха от 1 до 6 м3/с приводит к понижению летней максимальной температуры воздуха в камере в первый год эксплуатации на 2,5°С, увеличение расхода воздуха до 12 м3/с, позволило снизить температуру воздуха на 3,5°С, а увеличение расхода до 24 м3/с -на 4,5°С. Двукратное увеличение расхода воздуха при зимней хладозарядке с 12 м3/с до 24 м3/с привело к понижению температуры воздуха в камере в летнее время только на 1°С, т.е. увеличение интенсивности хладозарядки в этих пределах оказалось энергетически неэффективной.

2 год 3 год

Рисунок 2 - Изменение температуры воздуха в камере подземного холодильника за первые 3 года эксплуатации при различных расходах воздуха, подаваемого во время зимней хладозарядки.

На рисунке 3 представлена динамика изменения температуры воздуха в камере подземного холодильника за первые 7 лет эксплуатации. При этом зимняя хладозарядка проводится с 1 ноября в течение 4 месяцев с интенсивностью 15 м3/с. Камера загружается продуктом (замороженная говядина) 1 марта в полном объеме. Из рисунка 3 видно, что температура в камере с каждым годом снижается. Если в конце первого летнего сезона температура воздуха в камере составила -9,7°С, то в конце седьмого сезона - -14,1°С.

VII, VIII К . X

Месяцы

-1 год —2 год —3 год —4 год —5 год —6 год •

Рисунок 3 - Температура воздуха в камере подземного холодильника с естественным тепловым режимом

-' год

XI хи I . II ш IV V ,VI VII,VIII к. х Проведенные численные

расчеты показывают, что запасы естественного холода, накопленные в зимний период, недостаточны для поддержания в камере летом температуры, требуемой для хранения замороженной говядины (-18 - -20°С), что говорит о необходимости применения холодильных установок.

Подземное размещение холодильников, по сравнению с наземным, имеет ряд преимуществ. Например, повышается тепловая устойчивость при аварийном отключении холодильных машин. Как видно из рисунка 4, если в первом году эксплуатации требуемая температура в камере (-18°С) обеспечивалась в течение нескольких суток после отключения холодильных машин, то в десятом году - в течение месяца. При продолжительной эксплуатации подземного холодильника существенно снижаются хла-допотери в окружающий горный массив, т.е. можно уменьшить мощность холодильных машин.

Эксплуатационные энергозатраты {2жсп) на поддержание в холодильной камере требуемой температуры складываются из энергозатрат на зимнюю хла-дозарядку естественным холодом (2вент) с помощью вентилятора и энергозатрат на выработку искусственного холода холодильными установками летом (2Х0Л)\

ксп~2вент~1~2х0л, кВт-час. (8)

Расход электроэнергии на вентиляцию рассчитывается по формуле:

Продолжительность, сутки

—1год ......5год —10год

Рисунок 4 - Температуры воздуха в камере подземного холодильника во время аварийного отключения холодильных установок

кВт-час,

(9)

вент « сз

102-5 -7„

где а - коэффициент аэродинамического сопротивления, кгс2/м4; / - длина выработки, м; и - периметр выработки, м; £ - площадь поперечного сечения выработки, м2; й - расход воздуха, м3/с; твешп - время работы вентилятора в течение года, час; г}вент- КПД вентилятора, доли единиц.

Расход электроэнергии на эксплуатацию холодильных установок определяется следующим образом:

^ хол

^хоп^' кВт-час,

1000.^ — """ (10) где I\[хол - мощность холодильных установок, Вт; тхол - время работы холодильных установок за год, час; г)хол - КПД холодильных установок, доли единиц.

В расчетах принято, что теплопритоки в выработку поступают только от окружающего горного массива и хранящегося продукта. Мощность холодильных установок (Ыхол), необходимая для поддержания температуры воздуха в камере, рассчитывается по величине теплопритоков из массива горных пород через поверхность камеры и из продукта:

= -а, -{Ттр -Тк) + $прМ -апрМ -{Ттр -Т„рМ) ^ дт ^ ^

где & (8„р0д) - суммарная площадь поверхностей камеры (продукта), м2; ак {(Хпрод) ~~ коэффициент теплообмена через поверхности камеры (продукта), Вт/(м -К); Тк {Тпрод) - температура поверхности камеры (продукта), °С; Ттр -требуемая температура воздуха в камере, °С.

На рисунке 5 представлен график изменения годовых энергозатрат в зависимости от продолжительности и интенсивности хладозарядки в третий год эксплуатации.

н со X 140 т

о 130 4

120 «

X 1Ю :

3 100 -

£ 90 - к

Р 80 ■ "0 ■

| 60

50

=

:Т> ?0

'Ч

«130-140

' 120-130 Рисунок 5 - Зави-

а 110-120 симость годовых

100-110 энергозатрат от

я 90-100 продолжительно-

сти и интенсивно-

» 80-90 сти зимней хладо-

" "0-80

« 60-70 зарядки.

■ 50-60

■Ь:

Поверхность, изображающая годовые энергозатраты, имеет вогнутость, что указывает на существование его минимального значения. Таким образом, управляя режимом зимней хладозарядки, можно достичь минимума энергозатрат на поддержание необходимой температуры в камере.

Задача оптимального регулирования температурного режима камеры подземного холодильника заключается в минимизации эксплуатационных энергозатрат (Z3Kcn) на поддержание в холодильной камере требуемой температуры:

минимизировать ZMcn{au а2, ..., а„), (12)

где a, - i-й параметр регулирования; п - количество параметров, выбранных для регулирования температурного режима камеры.

Проведенный анализ показал, что целевая функция энергозатрат на поддержание требуемой температуры камер подземного холодильника зависит от геометрических размеров и глубины заложения, параметров зимней хладозарядки (дата начала, продолжительность и интенсивность вентиляции), даты загрузки и объема продукта. В качестве метода решения данной многопараметрической оптимизационной задачи был выбран генетический алгоритм, т.к. возможно существование множества локальных минимумов целевой функции. Методика выбора оптимальных параметров регулирования температурного режима камеры подземного холодильника реализована в виде программного комплекса. Программный комплекс разработан в среде программирования Visual С++6, работает в удобном диалоговом режиме.

В качестве примера в таблице 1 приведены рассчитанные по методике оптимальные параметры зимней хладозарядки и дата загрузки продукта на хранение для холодильной камеры шириной 8,6 м, высотой 3,6 м, длиной 45 м, расположенной на глубине 20 м.

Таблица 1 - Оптимальные параметры зимней хладозарядки и даты загрузки продукта

№ года Оптимальные параметры Результаты оптимизации

Расход воздуха м3/с Начало хладозарядки Продолжительность, сутки Дата загрузки продукта ^вент, кВт-ч ^холод, кВт-ч ^эксщ, кВт-ч

1 14,47 13 декабря 103 27марта 7037 68687 75724

2 13,18 8 ноября 117 6 марта 6043 61451 67494

3 12,83 13 ноября 114 8 марта 5429 49889 55318

4 12,60 8 ноября 114 3 марта 5137 43022 48159

5 12,25 11 ноября 115 7 марта 4760 38084 42844

6 12,01 13 ноября 116 10 марта 4531 34723 39254

7 11,89 10 ноября 117 8 марта 4438 32097 36535

8 11,89 б ноября 114 1 марта 4324 30502 34826

Как видно из таблицы 1, при оптимальном регулировании температурного режима камеры подземного холодильника интенсивность зимней вентиляции

с каждым годом уменьшается, начало и продолжительность вентиляции колеблются в пределах нескольких суток, загрузка продукта в холодильник производится сразу после окончания хладозарядки. Из-за прогрессирующего накопления холода с каждым годом сокращается зимний расход воздуха, соответственно уменьшились затраты на вентиляцию с 7037 до 4324 кВт-ч за 8 лет. Энергозатраты на выработку искусственного холода и общие энергозатраты сократились за это время более чем в 2 раза.

Четвертая глава посвящена выбору оптимальных параметров теплоизоляции устьевой части штольни подземного сооружения (холодильника) в зоне распространения вечной мерзлоты. Разработана трехмерная математическая модель теплообменных процессов в устьевой части штольни. Вход в выработку располагается на склоне с углом откоса а. Для повышения устойчивости устьевой части штольни предлагается применить теплоизоляцию склона вокруг входа в штольню.

Задача заключается в нахождении оптимальных параметров теплоизоляции склона вокруг входа в штольню, которые обеспечат сохранение слоя мерзлых пород заданной толщины над устьем штольни в летний период года при минимуме расхода материала на теплоизоляционный материал. В качестве оптимизируемых параметров выбираются ширина Wu3 (протяженность в стороны от входа), высота Низ (протяженность над входом) и толщина SU3 теплоизоляции.

Оптимизационная задача имеет вид

минимизировать Va3(WU3, Низ, ¿>ш) (13)

при условии Ьтая.макс{ W„, Нш, <У=0, (14)

где Уш - объем теплоизоляции, м3; Lmm макс - длина протаявшего участка пород на заданном расстоянии над кровлей, м.

Объем теплоизоляции рассчитывается по формуле:

Ущ, =((К +2-1Га).(Ня +HJ-W.-Нш)-8т, (15)

где Wm, Нш - ширина и высота штольни, м.

Для решения оптимизационной задачи используется метод безусловного многомерного поиска Хука и Дживса в сочетании с методом штрафных функций. Методика выбора оптимальных параметров теплоизоляции реализована в виде программного комплекса, разработанного в среде программирования Visual С++6, работающего в диалоговом режиме. На рисунке 6 приведен пример работы программного комплекса с показом расчетной области, температурных изолиний и распределений температур в массиве горных пород. Разработанный программный комплекс позволяет выбрать оптимальные параметры наружной теплоизоляции вокруг входа в подземный холодильник с учетом климатических и геокриологических условий, при которых летом породы сохраняются в мерзлом состоянии, что повышает безопасность эксплуатации.

Рисунок 6 - Пример работы программного комплекса

В таблице 2 представлены результаты оптимизации параметров теплоизоляции, обеспечивающей слой мерзлых пород над кровлей устья толщиной 1 м при различных значениях коэффициента теплопроводности теплоизолирующего материала и угла откоса склона. Штольня имеет ширину 4 м, высоту 3 м, расположена на глубине 15 м.

Таблица 2 - Оптимальные параметры теплоизоляции штольни

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К) Оптимальные параметры Минимальные значения

м Низ, М 5т, м ^таи..макс., М У„, м3

Угол откоса 20°

0,05 4,37 8,26 0,12 0 15,52

0,10 4,37 8,26 0,24 0 31,04

0,15 4,37 8,26 0,35 0 45,38

Угол откоса 40°

0,05 3.60 5,95 0,15 0 12,88

0,10 3,60 5,95 0,29 0 25,76

0,15 3,60 5,95 0,43 0 37.70

Из таблицы 2 видно, что при увеличении угла откоса с 20° до 40° оптимальные ширина и высота теплоизолированного участка уменьшились на 17,6% и 28%, соответственно, оптимальная толщина теплоизоляции увеличилась на 2(Ь-25%, а минимальный объем уменьшился на 17%. Оптимальная толщина и соответственно минимальный объем теплоизоляционного слоя уменьшаются пропорционально коэффициенту теплопроводности теплоизоляционного мате-

риала. Во всех вариантах расчета, ¿„,

=0, т.е. добились сохранения над

кровлей устья слоя мерзлых пород толщинои I м в летнии период.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано решение актуальной научно-практической задачи регулирования температурного режима подземных сооружений Севера: разработаны трехмерные математические модели теплообмена и программы расчета тепловых режимов подземных сооружений, методики оптимизации параметров температурного режима подземных холодильников, отличающиеся тем, что учитывают глубину заложения и геометрические размеры камеры, природно-климатические условия, теплофизические характеристики окружающих пород, режим вентиляции, режим загрузки продуктом, возможность использования холодильных (тепловых) установок, что является основой для повышения энергетической эффективности и безопасности эксплуатации подземных сооружений криолитозоны.

Основные научные и практические результаты работы, полученные автором, заключаются в следующем:

1. Построена трехмерная математическая модель теплообмена в подземном сооружении для долгосрочного прогноза температурного режима в зависимости от глубины заложения и геометрических размеров камеры, природно-климатических условий, теплофизических характеристик окружающих пород, режима вентиляции (начало, продолжительность, интенсивность проветривания), режима загрузки продуктом (время, объем загрузки, теплофизические характеристики, нормативная температура хранения, вид укладки продукта), возможности использования холодильных (тепловых) установок.

2. Установлены закономерности хладозарядки подземного сооружения от режимов вентиляции (начало, продолжительность, интенсивность проветривания). Показано, что при увеличении продолжительности эксплуатации подземного холодильника существенно снижаются хладопотери в окружающий горный массив и повышается тепловая устойчивость при аварийной остановке холодильных машин в летнее время.

3. Разработана методика выбора оптимальных параметров зимней хладозарядки подземного холодильника естественным холодом, позволяющая с минимальными эксплуатационными энергозатратами на вентиляцию и выработку искусственного холода поддерживать в камере подземного холодильника требуемые температурные условия.

4. Разработана трехмерная математическая модель теплообмена в штольне подземного сооружения, позволяющая прогнозировать температурный режим и динамику глубины оттаивания горных пород над кровлей в зависимости от параметров теплоизоляции, режимов вентиляции, глубины заложения и геометрических параметров штольни, угла уклона, природно-климатических условий, теплофизических характеристик окружающих пород.

5. Разработана методика выбора оптимальных параметров теплоизоляции устьевой части штольни подземного холодильника, позволяющая с минимальным объемом теплоизоляции сохранять мерзлое состояние окружающих горных пород.

В Государственном фонде алгоритмов и программ зарегистрировано 2 программы расчета температурного режима горных выработок криолитозоны.

Результаты исследований использованы для подготовки практических рекомендаций, которые переданы СВЭС ОАО «Сахаэнерго».

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Монография

1. Кадастр подземных выработок на территории Республики Саха (Якутия), пригодных к повторному использованию для целей, не связанных с горным производством [Текст] / А.Ф.Галкин, В.В.Киселев, Е.К.Романова, М.В.Каймонов., О.И. Хохлов; Институт горного дела Севера. -М.: ГУП ЦПП, 1998.-56 с.

Издания, рекомендованные ВАК Минобрнауки России

2. Рациональное использование естественного холода в регулировании температурного режима подземного холодильника [Текст] / А.С.Курилко,

B.В.Киселев, Ю.А.Хохолов, Е.К.Романова // Наука и образование. -2000. -№4,-

C. 66-69.

3. Хохолов, Ю. А., Романова Е.К. Оптимизация режимов вентиляции подземных холодильников при зимней хладозарядке естественным холодом [Текст] / Ю.А.Хохолов, Е.К.Романова // Наука и образование.- 2001.-№4. -С.24-26.

4. Хохолов, Ю.А., Романова Е.К. Выбор оптимальных параметров температурного режима подземных холодильников криолитозоны [Текст] / Ю.А.Хохолов, Е.К.Романова // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2004. -№ 9. -С. 290-292.

5. Романова, Е.К., Хохолов Ю.А. Моделирование тепловых процессов в устьевой части выработок криолитозоны [Текст] / Е.К.Романова, Ю.А.Хохолов // Горный информационно-аналитический бюллетень. Тематическое приложение «Физика горных пород».-2006. -С.165-174.

Прочие издания

6. Хохолов, Ю.А., Романова Е.К. Расчет температурного режима подземных сооружений на основе трехмерной математической модели [Текст] / Ю.А.Хохолов, Е.К.Романова // «Физико-технические проблемы Севера»: Международная конференция, посвященная 30-летию ИФТПС: сборник трудов.-Якутск, 2000. -ч.1. -С.350-360.

7. The prognosis of underground Refrigerators' Temperature Regime in the Permafrost Zone [Text] / A.S.Kurilko, V.V.Kiselev, Y.A.Khokholov, E.K.Romanova //

ICEE 2001,7th International Mine Ventilation Congress, June 17-22, 2001. -Cracow, Poland. -P.81-84.

8. Хохолов, Ю.А., Романова E.K. Программный комплекс оптимизации режима вентиляции подземных холодильников в условиях Севера [Текст] / Ю.А.Хохолов, Е.К.Романова // «Современные проблемы теплофизики в условиях Крайнего Севера»: материалы научной конференции. -Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН, 2002.-С. 64-71.

9. Натурные исследования температурного режима подземного холодильника [Текст] / А.С.Курилко, В.В.Киселев, Ю.А.Хохолов, Е.К.Романова, О.И.Сахарова // «Современные проблемы теплофизики в условиях Крайнего Севера»: материалы научной конференции. -Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН, 2002. -С. 99-107.

10. Regulating of the Thermal Regime of the Underground Cold Stores of the North [Text] / A.S.Kurilko, V.V.Kiselev, Yu.A.Khokholov, E.K.Romanova // Permafrost Engineering. Proceedings of the Fifth International Symposium, 2-4 September, 2002, Yakutsk: Permafrost Institute Press. -Yakutsk, 2003.-Vol.3.-P. 62-67.

11. Романова, E.K., Хохолов Ю.А. Подземный холодильник как энергоэффективное сооружение [Текст] / Е.К.Романова, Ю.А.Хохолов // «Проблемы и перспективы комплексного освоения месторождений полезных ископаемых криолитозоны»: Труды Международной научно-практической конференции. -Якутск: Издательство Института мерзлотоведения СО РАН, 2005. - Т. 2. - С. 6871. -Библиогр.: с.71

12. Романова, Е.К., Хохолов Ю.А. Подземный холодильник криолитозоны как эффективное хранилище продовольствия в чрезвычайных ситуациях [Текст] / Е.К. Романова, Ю.А. Хохолов // «Безопасность горного производства в Республике Саха (Якутия)»: материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 70-летию доктора технических наук, профессора, действительного члена АГН РФ E.H. Чемезова. - Якутск: Изд-во ЯГУ, 2008. -С. 62-63.

Программы, зарегистрированные в Государственном фонде алгоритмов и программ.

13. Хохолов Ю.А., Романова Е.К. Оптимизация толщины теплозащитного покрытия, возводимого в горных выработках зоны многолетней мерзлоты. -М.:ВНТИЦ, 2000.-№50200000036.

14. Хохолов Ю.А., Романова Е.К. Расчет температурного режима подземных сооружений на основе трехмерной модели. - М.:ВНТИЦ, 2004.-№ 50200400107.

Подписано в печать 05.11.2008. Формат 60х 84/16. Гарнитура «Тайме». Печать офсетная. Печ. л. 1,18. Уч.-изд. л. 1,48. Тираж 100 экз. Заказ ¿¿й

Издательство ЯГУ, 677891, г. Якутск, ул. Белинского, 58.

Отпечатано в типографии издательства ЯГУ

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Романова, Елена Константиновна

ВВЕДЕНИЕ.

1 КРАТКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ, ПОСВЯЩЕННОЙ РЕГУЛИРОВАНИЮ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ПОДЗЕМНЫХ ХОЛОДИЛЬНИКОВ.

1.1 Подземное аккумулирование естественного холода.

1.2 Условия хранения замороженных продуктов.

1.3 Опыт строительства и эксплуатации подземных холодильников в области распространения вечной мерзлоты.

1.4 Способы регулирования теплового режима подземных холодильников.

1.5 Теоретические исследования теплового режима подземных холодильников криолитозоны.

1.6 Теплоизоляция устьевых частей вскрывающих выработок в условиях криолитозоны.

1.7 Постановка задач исследований.

2 НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ПОДЗЕМНОГО ХОЛОДИЛЬНИКА.

2.1 Условия и методика проведения натурных исследований.

2.2 Анализ изменения температуры воздуха в выработках в течение 1997-1998 гг.

2.3 Анализ результатов измерений температуры породного массива.

2.4 Мероприятия по обеспечению устойчивости устьевой части штольни подземного холодильника.

3 ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА КАМЕР ПОДЗЕМНЫХ ХОЛОДИЛЬНИКОВ

КРИОЛИТОЗОНЫ.

3.1 Математическая модель теплообменных процессов в камере подземного холодильника.

3.1.1 Постановка задачи.

3.1.2 Моделирование процесса распространения тепла в горном массиве.

3.1.3 Моделирование процесса распространения тепла в замороженном продукте.

3.1.4 Моделирование изменения температуры воздуха внутри камеры.

3.1.5 Алгоритм решения задачи конечно-разностным методом.

3.1.6 Адекватность математической модели.

3.2 Прогнозирование температурного режима камеры подземного холодильника.

3.2.1 Подземный холодильник с естественным тепловым режимом.

3.2.2 Определение тепловых нагрузок на холодильное оборудование.

3.2.3 Температурный режим камеры подземного холодильника при аварийном отключении холодильных установок.

3.3 Задача оптимизации параметров регулирования температурного режима камеры подземного холодильника.

3.4 Программный комплекс Refrig.

4 ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ УСТЬЕВОЙ ЧАСТИ ШТОЛЬНИ ПОДЗЕМНОГО ХОЛОДИЛЬНИКА.

4.1 Математическое моделирование теплообменных процессов в устьевой части штольни подземного холодильника.

4.1.1 Алгоритм решения задачи конечно-разностным методом.

4.2 Влияние природных, конструктивных и технологических условий на сезонное протаивание устья штольни подземного холодильника.

4.3 Задача оптимизации параметров теплоизоляции склона вокруг входа в штольню.

4.4 Программный комплекс EntrRefrig.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Методика оптимального регулирования температурного режима подземных сооружений Севера"

Актуальность работы. Обеспечение энергетически эффективной и безопасной эксплуатации шахт, рудников и подземных сооружений различного назначения на Севере является одной из важнейших проблем горной науки и практики, успешное решение которой позволит улучшить экономические показатели работы горных предприятий, снизить энергетические и материальные затраты.

Одной из энергосберегающих технологий тепло- и холодоснабжения является аккумулирование тепловой энергии в массиве горных пород. Ярким примером использования данной технологии являются подземные холодильники криолитозоны, предназначенные для хранения замороженного продукта в летний период. Низкая естественная температура породного массива и значительная его теплоемкость позволяют накопить существенный запас холода в течение зимы и сократить энергозатраты на обеспечение требуемой температуры хранения продуктов в течение летнего времени.

Важнейшим требованием к длительной безопасной эксплуатации подземных сооружений криолитозоны является обеспечение устойчивости вскрывающих (входных) выработок, которые подвержены негативному воздействию ряда атмосферных факторов. Наиболее опасным является растепляющее воздействие атмосферного воздуха, приводящее к оттайке пород в летний период, что может привести к аварийным ситуациям. Одним из эффективных способов обеспечения устойчивости устьевых частей подземных выработок является теплоизоляция окружающих пород. Управляя термическим сопротивлением теплоизоляционного слоя можно сохранить мерзлое состояние пород или уменьшить глубину оттаивания до значений, при которых аварийные ситуации не возникнут.

Отсутствие научно обоснованных методик оптимального регулирования температурного режима выработок подземных холодильников криолитозоны требует постановки специальных исследований, направленных на совершенствование режимов естественной хладозарядки, летней эксплуатации и на обеспечение устойчивости выработок подземных сооружений.

В связи с вышеизложенным, разработка методики оптимального регулирования температурного режима подземных сооружений Севера является актуальной задачей.

Работа выполнена в рамках НИР ИГДС СО РАН «Совершенствование и разработка методов и средств оценки свойств, строения и состояния многолет-немерзлого массива горных пород с учетом происходящих в нем тепловых и механических процессов для модернизации существующих и создания новых нетрадиционных технологий освоения недр Севера» (номер госрегистрации 01.200.115731), проекта 25.2.3 «Особенности деформирования и разрушения геоматериалов в условиях неоднородных температурных и силовых полей», хоздоговора №П-97/03 «Разработать рекомендации по строительству и эксплуатации подземного холодильника».

Идея работы заключается в использовании закономерностей теплообмена в горных выработках подземных сооружений криолитозоны для оптимального управления тепловыми процессами при их эксплуатации.

Целью работы является повышение энергетической эффективности и безопасности эксплуатации подземных сооружений в условиях Севера.

Для достижения поставленной в диссертации цели необходимо решить следующие задачи:

- провести натурные исследования температурного режима подземных сооружений;

- разработать математическую модель и методику расчета температурного режима подземных сооружений с учетом природно-климатических условий, конструктивных и технологических особенностей;

- определить оптимальные параметры регулирования температурного режима камеры подземного холодильника, обеспечивающие минимум эксплуатационных энергозатрат;

- определить оптимальные параметры теплоизоляции устьевой части подземного сооружения, обеспечивающие мерзлое состояние вмещающих пород в летний период.

Методы исследований — математическое моделирование тепловых процессов в горных выработках и породном массиве, методы вычислительной математики и программирования, численные методы решения задач теплообмена с фазовыми переходами, методы оптимизации, натурные исследования температурного режима подземного сооружения.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Трехмерная математическая модель теплообменных процессов в подземных сооружениях криолитозоны, отличающаяся тем, что учитывает природно-климатические (динамика изменения температуры атмосферного воздуха, толщины снега, скорости ветра), конструктивные (геометрические размеры и глубина заложения выработок, угол откоса склона) и технологические условия эксплуатации (дата начала, продолжительность и интенсивность вентиляции, дата загрузки и объем продукта).

2. Методика выбора оптимальных параметров регулирования температурного режима камеры подземного холодильника, позволяющая сократить годовые эксплуатационные энергозатраты на принудительную вентиляцию и выработку искусственного холода.

3. Методика выбора оптимальных параметров теплоизоляции устьевой части подземного сооружения, обеспечивающих сохранение мерзлого состояния окружающих горных пород в летний период.

Новизна работы заключается в следующем: 1. Разработаны трехмерные математические модели для прогноза температурного режима подземных сооружений криолитозоны, отличающиеся тем, что позволяют установить закономерности формирования температурного режима с учетом природно-климатических условий, конструктивных и технологических особенностей.

2. Впервые разработаны методика, алгоритмы и программы выбора оптимальных параметров регулирования температурного режима камеры подземного холодильника криолитозоны, обеспечивающих минимум энергозатрат на зимнюю хладозарядку и выработку искусственного холода.

3. Впервые разработаны методика, алгоритмы и программы выбора оптимальных параметров теплоизоляции устьевой части подземного сооружения криолитозоны, позволяющих при минимальном объеме теплоизолирующего слоя исключить сезонное оттаивание горных пород.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- обоснованным применением численных методов решения задач теплообмена с использованием современных средств вычислительной техники;

- удовлетворительным совпадением результатов расчета температурного режима камеры подземного холодильника с данными натурных наблюдений.

Практическое значение работы. Результаты проведенных исследований позволят:

- на стадии проектирования выбрать оптимальные конструктивные параметры подземных сооружений с заданными температурными условиями эксплуатации и рациональные параметры наружной теплоизоляции устья, которые обеспечат энергетическую эффективность и безопасность эксплуатации;

- в период эксплуатации выбрать оптимальные сроки и скорости вентиляции при зимней хладозарядке, оптимальные сроки загрузки продуктов на летнее хранение.

Рекомендации по строительству и эксплуатации подземного холодильника» приняты СВЭС ОАО «Сахаэнерго» к применению.

Практическая ценность и новизна исследований подтверждаются также тем, что в Государственном фонде алгоритмов и программ зарегистрированы программы:

- «Расчет температурного режима подземных сооружений на основе трехмерной модели», № 50200400107;

- «Оптимизация толщины теплозащитного покрытия, возводимого в горных выработках зоны многолетней мерзлоты», №50200000036.

Личный вклад автора состоит в:

- разработке трехмерных математических моделей для прогноза температурного режима подземных сооружений криолитозоны;

- разработке алгоритмов и программ расчета температурного режима подземных сооружений криолитозоны;

- определении оптимальных расходов воздуха и сроков зимней хладозарядки подземных холодильников, позволяющих сократить общие эксплуатационные затраты;

- обосновании рациональных параметров теплоизоляции устьевых частей подземных сооружений криолитозоны.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на: семинарах и заседаниях ученого совета ИГДС СО РАН (г.Якутск), научной конференции «Современные проблемы теплофизики в условиях Крайнего Севера» (г.Якутск, 2002, 2007 гг.), V Международном симпозиуме по инженерному мерзлотоведению (г.Якутск, 2002 г.), Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (г.Якутск, 2000, 2004 гг.), Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы комплексного освоения месторождений полезных ископаемых криолитозоны» (г.Якутск, 2005 г.), V Международной конференции по математическому моделированию, посвященной 75-летию академика В.Н. Монахова (г.Якутск, 2007 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность горного производства в Республике Саха (Якутия)», (г. Якутск, 2008 г.), научной конференции «Неделя горняка» (г. Москва, 2006, 2008 гг.).

Публикации. Основные результаты исследований отражены в 14 работах, в том числе в 4 статьях, опубликованных в научных изданиях, рекомендованных ВАК России.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Изложена на 157 страницах машинописного текста, включает 30 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 85 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Романова, Елена Константиновна

Выводы по главе 4

1. Разработана трехмерная математическая модель теплообмена в штольне подземного сооружения, позволяющая прогнозировать температурный режим и динамику глубины оттаивания горных пород над кровлей в зависимости от параметров теплоизоляции, режимов вентиляции, глубины заложения и геометрических параметров штольни, угла уклона, природно-климатических условий, теплофизических характеристик окружающих пород.

2. Разработана методика выбора оптимальных параметров теплоизоляции устьевой части штольни подземного холодильника, позволяющая с минимальным объемом теплоизоляции сохранять мерзлое состояние окружающих горных пород.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано решение актуальной научно-практической задачи регулирования температурного режима подземных сооружений Севера: разработаны трехмерные математические модели теплообмена и программы расчета тепловых режимов подземных сооружений, методики оптимизации параметров температурного режима подземных холодильников, отличающиеся тем, что учитывают глубину заложения и геометрические размеры камеры, природно-климатические условия, теплофизические характеристики окружающих пород, режим вентиляции, режим загрузки продуктом, возможность использования холодильных (тепловых) установок, что является основой для повышения энергетической эффективности и безопасности эксплуатации подземных сооружений криолитозоны.

Основные научные и практические результаты работы, полученные автором, заключаются в следующем:

1. Построена трехмерная математическая модель теплообмена в подземном сооружении для долгосрочного прогноза температурного режима в зависимости от глубины заложения и геометрических размеров камеры, природно-климатических условий, теплофизических характеристик окружающих пород, режима вентиляции (начало, продолжительность, интенсивность проветривания), режима загрузки продуктом (время, объем загрузки, теплофизические характеристики, нормативная температура хранения, вид укладки продукта), возможности использования холодильных (тепловых) установок.

2. Установлены закономерности хладозарядки подземного сооружения от режимов вентиляции (начало, продолжительность, интенсивность проветривания). Показано, что при увеличении продолжительности эксплуатации подземного холодильника существенно снижаются хладопотери в окружающий горный массив и повышается тепловая устойчивость при аварийной остановке холодильных машин в летнее время.

3. Разработана методика выбора оптимальных параметров зимней хладозарядки подземного холодильника естественным холодом, позволяющая с минимальными эксплуатационными энергозатратами на вентиляцию и выработку искусственного холода поддерживать в камере подземного холодильника требуемые температурные условия.

4. Разработана трехмерная математическая модель теплообмена в штольне подземного сооружения, позволяющая прогнозировать температурный режим и динамику глубины оттаивания горных пород над кровлей в зависимости от параметров теплоизоляции, режимов вентиляции, глубины заложения и геометрических параметров штольни, угла уклона, природно-климатических условий, теплофизических характеристик окружающих пород.

5. Разработана методика выбора оптимальных параметров теплоизоляции устьевой части штольни подземного холодильника, позволяющая с минимальным объемом теплоизоляции сохранять мерзлое состояние окружающих горных пород.

В Государственном фонде алгоритмов и программ зарегистрированы 2 программы расчета температурного режима горных выработок криолитозоны.

Результаты исследований использованы для подготовки практических рекомендаций, которые переданы СВЭС ОАО «Сахаэнерго».

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Романова, Елена Константиновна, Якутск

1. Проектирование холодильных сооружений: справочник Текст. М.: Пищевая промышленность, 1978. - 255 с.

2. Шургин, Б.В. Об использовании подземных холодильников для длительного сохранения скоропортящихся продуктов питания Текст. / Б.В .Шургин // Проблемы развития производительных сил Якутской АССР. Якутск: 1969. - Вып.2. С. 163-165.

3. Шургин, Б.В. О тепловом режиме подземных холодильников в многолетне-мерзлых породах Текст. /Б.В.Шургин // Научно-технический прогресс и физико-технические проблемы Севера. Якутск, 1972. - С. 121-125.

4. Шургин, Б.В. Естественный тепловой режим подземных холодильников Крайнего Севера Текст. / Б.В.Шургин: БНТИ. Физико-технические проблемы Севера. - Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1979. - С. 5-7.

5. Шургин, Б.В. Выбор параметров естественной хладозарядки подземных холодильников Севера Текст. / Б.В.Шургин // БНТИ. Физико-технические проблемы Севера. Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1979. - С. 7-9.

6. Шургин, Б.В., Скуба В.Н. Совершенствование эксплуатации подземных низкотемпературных сооружений Текст. / Б.В.Шургин, В.Н.Скуба // Разработка месторождений полезных ископаемых Крайнего Севера. Якутск, 1980. - С. 99-107.

7. Шургин, Б.В. Исследования и выбор параметров естественной хладозарядки подземных холодильников Севера (на примере Якутской АССР) Текст. / Борис Вениаминович Шургин: автореф. дис. . канд. техн. наук. — Якутск, 1982. 16с.

8. Бекман, Г., Гилли П. Тепловое аккумулирование энергии: пер. с англ. Текст. / Г.Бекман, П.Гилли М.: Мир, 1987. - 272 с.

9. Goswami, D.Y., Ileslamlou S. Performance Analysis of a Closed-Loop Climate Control System Using Underground Air Tunnel Text. / D.Y.Goswami, S.Ileslamlou // Transactions of the ASME ISEE. 1990. - Vol. 112. - PP. 76-81.

10. Ingersoll, L.R. and other. Heat Conduction with Engineering, Geological and other Applications Text. / L.R.Ingersoll, O.J.Zobel, A.C.Ingersoll. Maddison; Wise: The University of Wisconsin Pres, 1954. - PP. 99-107.

11. Sinha, R.R. and other. Theoretical and Experimental Analysis of Cooling Technique Using Underground Air Pipe Text./ R.R.Sinha, D.Y.Goswami, D.E.Klett // Proceedings of the International Solar Energy Congress, Brighton. U.K., 1981, August.

12. Goswami D.Y., A.S.Dhaliwal. Heat Transfer Analysis in Envirounmental Control Using an Underground Air Tunnel Text. / D.Y.Goswami, A.S.Dhaliwal // Journal of Solar Energy Engineering. 1985. - Vol. 107.-PP. 141-145.

13. Abrams, D.W. and other. Simulated and Measured Performance of an Earth Cooling Tube Text. / D.W.Abrams, G.C.Benton, J.M.Akridge // Proceedings of the 5-th National Passive Solar Conference, Amherst Mass, Oct. 19-26, 1980.

14. Nordham, E.B. A Design Procedure for Underground Air Cooling Pipes and based on Computer Models Text. / E.B.Nordham // Proceedings of the 4-th National Passive Solar Conference, Kansas City, Mo., Oct. 3-5, 1979.

15. Scott, N.P. and other. Analysis and Performance of an Earth Air Heat Exchanger Text. / N.P.Scott, B.A.Parson, T.A.Kochler // Transactions of ASAE, St.Joseph, Michigan, 1965. - Paper N 65 - 840.

16. Puri, V.M. Heat and Mass Transfer and Modeling in Unsaturated Ground Soils Text. / V.M.Puri // Proceedings of the ASME-ASES Solar Energy Conference, 1985. PP. 175-182.

17. Dhaliwai, A.S., Goswami D.Y. Heat transfer analysis environment control using an underground air tunnel Text./ A.S.Dhaliwai, D.Y.Goswami // ASME Solar Energy Div. Las Vegas, 1984. PP. 505-510.

18. Goswami, D.Y. Ileslamlou S. Performance Analysis of a Closed-Loop Climate Control System Using Underground Air Tunnel Text. / D.Y.Goswami, S.Ileslamlou // Transactions of the ASME, ISEE. 1990. - Vol. 112. - PP. 76-81.

19. Bansal, N. Tunneling and Underground Space Text. / N.Bansal, M.Sodka // Technology- 1986.-Vol. 1.-N2.-PP. 177-182.

20. Клепанда, A.C. и др. Эффективность геовентиляционного теплообменника предкондиционера Текст. / А.С.Клепанда, Э.Б.Филиппов, Г.Б.Черепенников, Л.С.Богданович // Холодильная техника. 1994. - № 1. - С 27-29.

21. Рекомендации по оценке эффективности систем сбора низкопотенциального тепла фунта для целей теплохладоснабжения зданий Текст. / НИИСФ. М.: Стройиздат, 1988. - 16 с.

22. Богданович, Л.С. и др. Перспективность применения грунтовых аккумуляторов холода в системах хладоснабжения Текст. / Л.С.Богданович, А.С.Клепанда, Г.Б.Черепенников, А.П. Кузнецов // Холодильная техника. -1991. -№ 2. -С. 11-12.

23. Francis, Е. Cooling with Earth Tubes Text. / E.Francis// Solar Age. 1985. -Vol. 10. -N 4.-PP. 67-69.

24. Лукин, B.C. Аэрация горных пород путь к сохранению и использованию зимнего холода и летнего тепла Текст. / В.С.Лукин // Проблемы геометеорологии и аккумуляции зимнего холода: сб. науч. тр. - Свердловск:УрО АН СССР, 1990.-С. 7-10.

25. Кузьмин, Г.П., Яковлев А.В. Рекомендации по проектированию и строительству геокриологических охладителей Текст. / Г.П.Кузьмин, А.В.Яковлев. — Якутск: ИМЗ СО АН СССР, 1986. С.66.

26. Кузьмин, Г.П., Яковлев А.В. Подземные резервуары в мерзлых грунтах Текст. / Г.П.Кузьмин, А.В.Яковлев. Якутск: ИМЗ СО АН СССР, 1992. - 152с.

27. Кузьмин, Г.П. Подземные сооружения в криолитозоне Текст. / Г.П.Кузьмин. Новосибирск: Наука, 2002. - 176 с.

28. Bahadori, M.N. Natural Cooling Systems and Economic Feasibility Study of Long- term Storage of Coolness Energy Text. / M.N.Bahadori // Energy: the International Journal, 1984. - Vol. 9. - N 7. - PP. 589- 604.

29. Svec, O.J. Potential of ground heat source systems Text. / O.J.Svec / Int. J. of Energy research 1987. - Vol. 11. - PP. 573-581.

30. Walton, M., McSwiggen P.L. Heat accumulation, storage and recovery in flooded mines Text. / M.Walton,. P.L. McSwiggen // International Conference on Subsurface Heat Storage in theory and practice. - Stockholm, Sweden, June 6-8, 1983.-PP. 430-437.

31. Scmid, W. Hannover Messe: Betonierte Eisspeicher Verbessern Kalteversornung Text. / W.Scmid // Ki Luft- und Kaltetechn. 2000. - Vol.36. - №11. - P. 524.

32. Ким, В.П. Использование низкопотенциальных источников тепла на шахтах Севера Текст. / В.П.Ким. Якутск: Изд-во ЯНЦ СО АН СССР, 1991. - 84 с.

33. Дядькин, Ю.Д. Основы горной теплофизики для шахт и рудников Севера Текст. / Ю.Д.Дядькин. М.: Недра, 1968. - 255 с.

34. Шувалов, Ю.В. Регулирование теплового режима шахт и рудников Севера: Ресурсосберегающие системы Текст. / Ю.В.Шувалов. Л.: Изд-во ЛГУ, 1988. - 196 с.

35. Галкин, А.Ф. Хохолов Ю.А. Теплоаккумулирующие выработки Текст. / А.Ф.Галкин, Ю.А.Хохолов, Рос. акад. наук, Сиб. отделение, Ин-т горного дела Севера. — Новосибирск: ВО «Наука», Сиб. издат. фирма, 1992. — 133 с.

36. Афанасьев, В.П. Схемы вентиляции россыпных шахт с регенерацией параметров воздуха Текст. / В.П. Афанасьев // Колыма. 1974. - №3. - С.30-33.

37. Разработать рекомендации по строительству и эксплуатации подземного холодильника Текст.: отчет о НИР (заключительный) / Ин-т горного дела Севера СО РАН; Рук. А.Ф.Галкин. П-97/03. - Якутск, 1999. - 59 с.150

38. Миронов, Н.Г. Строительство и эксплуатация подземных холодильников (Север и Северо-Восток Советского Союза) Текст. / Н.Г.Миронов. — М.: Наука, 1967.-72 с.

39. Крылов, М.М. Холодные склады из льда и мерзлого грунта Текст. / М.М.Крылов. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1940. - 78 с.

40. Тумель В.Ф. Игарское опытное подземелье в вечномерзлой толще Текст. / В.Ф.Тумель. М. - Л.: Изд-во АН СССР, 1945.

41. Рекомендации по строительству, реконструкции и эксплуатации подземных холодильников в Якутской АССР Текст. Якутск, 1982. - 52 с.

42. Галкин, А.Ф. Тепловой режим подземных сооружений Севера Текст. / А.Ф. Галкин, Рос. акад. наук, Сиб. отделение, Ин-т горного дела Севера. Новосибирск: Наука, Сибирская издательская фирма РАН, 2000. - 304 с.

43. Lorentzen G. The design freezer room the rock Text. / G.Lorentzen // Proceedings of the 10-th International Congress of Refrigeration. Copenhagen, 1959. - Vol. III.-PP. 291-298.

44. Буденный, Ю.А. Исследование и методика расчета тепловых процессов на шахтах и рудниках Севера Текст. / Ю.А.Буденный: дисс. . канд. техн. наук. -Ленинград, 1968.- 163 с.

45. Дядькин, Ю.Д. и др. Тепловой режим рудных, угольных и россыпных шахт Севера Текст. /. Ю.Д.Дядькин, А.Ф.Зильберборд, П.Д.Чабан. М.: Недра, 1968.- 172 с.

46. Зильберборд, А.Ф., А.Ф.Ловчук Расчет длительности предварительного охлаждения подземных холодильников Текст. / А.Ф.Зильберборд, А.Ф.Ловчук // Холодильная техника. 1971. - №4. - С.26-29.

47. Зильберборд, А.Ф. О тепловых расчетах подземных хранилищ в многолет-немерзлых породах Текст. /. А.Ф.Зильберборд // Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых Севера. Л., 1972. - С.117-120.

48. Зильберборд, А.Ф. О расчете гидротермальных режимов подземных сооружений Текст. / А.Ф.Зильберборд // Проблемы горной теплофизики. — Л., 1973. — С.76-78.

49. Зильберборд А.Ф. Методические рекомендации по тепловым расчетам подземных сооружений холодилыю-складского назначения Текст. / А.Ф.Зильберборд; ВСЕГИНГЕО. М., 1973. - 56 с. ^

50. Зильберборд, А.Ф. и др. Тепловой режим подземных сооружений и инженерно-геологические условия их оптимального размещения Текст. / А.Ф.Зильберборд, Г.С.Горская, М.А.Городецкая. М.: Недра, 1977. - 151 с.

51. Папернов, М.М. Производственные и складские объекты в горных выработках Текст. /. М.М.Папернов, А.Ф.Зильберборд. М. Стройиздат, 1984. -184 с.

52. Бобков, В.А. Использование естественного холода для сохранения продовольствия Текст. / В.А.Бобков; ВНИХИ М., 1968. - 80 с.

53. Иванов, Н.С. Моделирование тепловых процессов в горных породах Текст. / Н.С.Иванов. М.: Наука, 1972. - 138 с.

54. Иванов, Н.С. Тепло- и массоперенос в мерзлых горных породах Текст. / Н.С.Иванов. М.: Наука, 1969. - 240 с.

55. Иванов, Н.С. Теплообмен в криолитозоне Текст. / Н.С.Иванов. — М.: Изд-во АН СССР, 1962.-200 с.

56. Изаксон, В.Ю. и др. Вопросы устойчивости обнажений многолетнемерзлых пород / В.Ю. Изаксон, А.В. Самохин, Е.Е.Петров, В.И. Слепцов. Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма, 1994.- 165 с.

57. Чабан, П.Д. Влияние теплового режима на устойчивость подземных выработок на шахтах и рудниках Северо-Востока СССР / П.Д. Чабан // Тепловые и механические процессы при разработке полезных ископаемых. — М.: Наука, 1965.-С. 45-65.

58. Шерстов, В.А. и др. Подземная разработка россыпных месторождений Якутии: монография / В.А. Шерстов, В.Н. Скуба, К.И. Лубий, К.Н. Костроми-тинов. Якутск: Якутское кн. изд-во, 1981. - 182 с.

59. Шерстов, В.А. и др. Тепловой режим россыпных шахт криолитозоны: монография / В.А. Шерстов, В.В. Киселев, Ю.А. Хохолов; отв. ред. С.А. Батугин; ИГДС СО РАН. Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 2007. - 316 с.

60. Изаксон, В.Ю., Петров Е.Е. Численные методы прогнозирования и регулирования теплового режима горных пород области многолетней мерзлоты: монография / В.Ю.Изаксон, Е.Е. Петров Якутск: ЯНЦ СО АН СССР, 1986. -96 с.

61. Табунщиков, Ю.А. и др. Энергоэффективные здания Текст. / Ю.А. Табунщиков, М.М. Бродач, Н.В. Шилкин. М: АВОК ПРЕСС, 2003. - 200 с.

62. Самарский, А.А., Вабищевич П.Н. Вычислительная теплопередача Текст. / А.А. Самарский, П.Н. Вабищевич. М.: Едиториал УРСС, 2003. - 784 с.153

63. Щербань, А.Н. и др. Руководство по регулированию теплового режима шахт Текст. / А.Н.Щербань, О.А. Кремнев, В .Я. Журавленко. М.: Недра, 1977.-359 с.

64. Богословский, В.Н. Строительная теплофизика (теплофизические основы1отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха) Текст.: учебник для вуfзов / В.Н. Богословский. 2-изд., перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1982. —I

65. Куртеиер, Д.А., Чудновский А.Ф. Расчет и регулирование теплового режима в открытом и защищенном грунте Текст. / Д.А. Куртенер, А.Ф. Чудновский. JL: Гидрометеоиздат, 1969. - 299 с.

66. Самарский, А.А., Моисеенко Б.Д. Экономичная схема сквозного счета для многомерной задачи Стефана Текст. / А.А. Самарский, Б.Д. Моисеенко // Журнал вычисл. математики и мат. физики. 1965. - Т. 5. - № 5. — С. 816- 827. -Библиогр.: с. 827.

67. Попов, Ф.С. Вычислительные методы инженерной геокриологии Текст. / Ф.С. Попов, Рос. акад. наук, Сиб. отделение, Ин-т физико-техн. проблем Севера. -Новосибирск: Наука, Сибирская издательская фирма РАН, 1995. 136 с.

68. Кирин, Б.Ф., Ушаков К.З. Рудничная и промышленная аэрология Текст.: учебник для вузов / Б.Ф. Кирин, К.З.Ушаков. М.: Недра, 1983. - 256 с.

69. Хэзфилд, Р., Кирби JI. Искусство программирования на С. Фундаментальные алгоритмы, структуры данных и примеры приложений Текст. / Р Хэзфилд, Л. Кирби. -К.: ДиаСофт, 2001. 736 с.

70. Курилко, А.С. и др. Рациональное использование естественного холода в регулировании температурного режима подземного холодильника Текст. / А.С.Курилко, В.В.Киселев, Ю.А.Хохолов, Е.К.Романова // Наука и образование. 2000. - №4. - С. 66-69.

71. Хохолов, ГО. А., Романова Е.К. Оптимизация режимов вентиляции подземных холодильников при зимней хладозарядке естественным холодом Текст. / Ю.А.Хохолов, Е.К.Романова // Наука и образование. 2001. - №4. - С. 24-26.

72. Хохолов, Ю.А., Е.К.Ромапова. Выбор оптимальных параметров температурного режима подземных холодильников криолитозоны Текст. / Ю.А.Хохолов, Е.К.Романова // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2004. - № 9. - С. 290-292.

73. Романова, Е.К. Моделирование тепловых процессов в устьевой части выработок криолитозоны Текст. / Е.К.Романова, Ю.А.Хохолов // Горный информационно-аналитический бюллетень. Тематическое приложение «Физика горных пород». 2006. - С. 165-174.

74. Базара, М, Шетти К. Нелинейное программирование. Теория и алгоритмы Текст. / Мохтар Базара, К. Шетти; перевод с анг. Т.Д.Березновой и В.А.Березнова; под. ред. Д.Б.Юдина; [предисл. Д.Б.Юдина]. М.: Мир, 1982. -582 с.