Автореферат (Повышение энергоэффективности системы ледовое покрытие – холодильная установка путём поддержания заданных свойств модифицированного льда)

Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. БауманаНа правах рукописиУДК 621.581Устюгова Татьяна ГеннадьевнаПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫЛЕДОВОЕ ПОКРЫТИЕ – ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКАПУТЁМ ПОДДЕРЖАНИЯ ЗАДАННЫХ СВОЙСТВМОДИФИЦИРОВАННОГО ЛЬДА05.04.03 - Машины и аппараты, процессы холодильной и криогеннойтехники, систем кондиционирования и жизнеобеспеченияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква, 2017Работа выполнена в ФГБОУ ВО «Московский государственныйтехнический университет имени Н.Э.

Баумана (национальныйисследовательский университет)» (МГТУ им. Н.Э. Баумана)Научный руководитель:доктор технических наукГончарова Галина ЮрьевнаОфициальные оппоненты:доктор технических наук, профессорЦветков Олег Борисович, заведующий кафедрой«Теоретических основ тепло- и хладотехники»,Санкт-Петербургский национальныйисследовательский университетинформационных технологий, механики иоптики (Университет ИТМО)кандидат технических наукТоварас Николай Вячеславович, генеральныйдиректор ООО «НПФ «Химхолодсервис»Ведущая организация:ФГБНУ«Всероссийскийисследовательскийинститутпромышленности» (ВНИХИ)научнохолодильнойЗащита состоится «_14_» ___июня_____ 2017 года в 14 ч. 30_ мин.

назаседании Диссертационного совета Д 212.141.16 при МосковскомГосударственном Техническом Университете им. Н.Э. Баумана по адресу:107005, г. Москва, Лефортовская наб., д. 1, корпус факультета«Энергомашиностроение», ауд. 314-Э (конференц зал).С диссертацией до защиты можно ознакомиться в библиотеке МГТУим. Н.Э. Баумана и на сайте www.bmstu.ru.Ваши отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просьба высылатьпо указанному адресу: 107005, г. Москва, ул. 2-ая Бауманская, д.

5. Ученомусекретарю диссертационного совета Д 212.141.16.Автореферат разослан «___»____________ 2017 г.Ученый секретарьДиссертационного совета Д 212.141.16кандидат технических наук, доцентКолосов М.А.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. Россия традиционно занимала ведущие позиции взимних видах спорта, и стратегией развития физической культуры и спорта РФпредусматривается активное внедрение инновационных технологий дляусиления своих позиций в спорте высших достижений и популяризации спортасреди населения. Технологии подготовки и эксплуатации льда представляютсобой конкурентную среду для ведущих мировых держав, и в этой областивостребованы самые современные научно-технические достижения.

Кнастоящему моменту уже многократно апробировано и доказано существенноеулучшение прочностных и скользящих свойств льда в результате реализациитехнологий, основанных на внесении микродоз полимерных соединений(ледовых модификаторов). Однако задача сохранения полученных свойствмодифицированного ледового массива за счёт поддержания его химическогосостава при эксплуатации до сих пор остается нерешенной.Кроме того, технология модифицирования льда относится кперспективным наукоемким технологиям в области низкотемпературнойтехники, обеспечивающим энергоэффективность работы оборудования.Упрочнение верхнего слоя льда позволяет поддерживать рабочую толщинульда на 20 мм меньше и, за счёт снижения термического сопротивлениятеплопередаче, существенно снижать эксплуатационные расходы ледовых арен.Холодильная система по данным Международной федерации хоккеяпотребляет до 50 % электроэнергии всего катка, составляющей за сезонот 700 до 7000 МВт∙ч в зависимости от типа объекта.

Таким образом,поддержание свойств модифицированного льда в течение сезона позволяетсущественно снизить эксплуатационные расходы ледовых арен сискусственной системой хладоснабжения.Периодическая подрезка отработанных слоёв льда и заливка чистой водойприводит к удалению с поверхности внесённых модификаторов и постепеннойутрате прочностных и скоростных свойства льда. Поддержание свойствледового покрытия может осуществляться за счёт двух процессов: диффузииполимерных соединений из глубинных слоёв ледового массива идополнительного внесения новых доз модификаторов. Поэтому исследованиепроцесса переноса внесённых соединений в модифицированных ледовыхструктурах является основой создания технологии поддержания их свойств иобеспечения работы холодильного оборудования в более экономичныхрежимах.Изменение естественных свойств льда внесением различных группмодифицирующих соединений актуально не только в спортивной индустрии.Создание ледяной матрицы повышенной прочности и пластичности на основеразработки новых композиционных материалов является одним из важныхнаправлений федеральной программы развития Арктики.

Решение этих задачтакже невозможно без изучения процессов переноса искусственно вносимыхсоединений в массиве льда.1Цель работы. Повышение энегоэффективности системы ледовоепокрытие – холодильная установка в результате поддержания заданныхфизико-механических свойств модифицированных ледовых массивов при ихэксплуатации.Научная новизна.1. Экспериментально подтверждено, что во всём рабочем интервалетемператур ледового объекта все группы вводимых модификаторов непретерпевают фазовых превращений, что приводит к дополнительномуснижению тепловой нагрузки на холодильные машины.2. Впервые доказана возможность поддержания прочностных искользящих свойств ледовых покрытий за счёт рационального выборапараметров работы холодильной установки и воздействия на интенсивностьпроцессов переноса в ледовом массиве.3.

Впервые получены экспериментальные данные о процессе переносамодифицирующих соединений при эксплуатации ледовых массивов взависимости от температуры заливаемой воды.4. Впервые выявлено и экспериментально подтверждено определяющеевлияние скорости кристаллизации на характер распределения модификаторов впослойно формируемых ледовых массивах.5.

Впервые разработан метод декорирования межкристаллическогопространства органическими красителями. Сформулированы критерии,выбраныхимическиесоединенияиопределенамакроструктурамодифицированного льда.Практическая значимость. На основании проведенных исследованийразработаны практические рекомендации по изменению температурыхладоносителя для намораживания и поддержания свойств модифицированныхледовых массивов в зависимости от вида спорта.Предложена и апробирована методика увеличения до 1,5 разпродолжительности эксплуатации модифицированного ледового массива бездополнительного внесения модификаторов в результате изменениятемпературы заливаемой воды и температуры хладоносителя.На ледовых объектах РФ внедрена методика поддержания свойствмодифицированного ледового покрытия, позволяющая до 14 % сокращатьэнергопотребление холодильных машин ледовой арены. Получен акт внедренияот ледовой арены Новосибирского профессионального хоккейного клуба«Сибирь».Достоверность полученных результатов обеспечивается применениемтитрометрического, кондуктометрического и спектроскопического методовисследования распределения модификаторов по глубине ледового массива,использованием аттестованных измерительных средств, проведениемхимических анализов в аккредитованной испытательной лаборатории химикоаналитических исследований «ЭКОЗОНД» и в Главном контрольноиспытательном центре питьевой воды, согласованностью с результатамидругих исследований.

Согласуются между собой также результаты, полученныев лабораторных экспериментах и на реальных ледовых аренах.2На защиту выносятся.1. Результаты мониторинга работы холодильной машины на нерасчетныхрежимахприпиковыхтепловыхнагрузкахприэксплуатациимодифицированного льда.2. Результаты экспериментального определения теплофизических свойствльда, модифицированного различными полимерными соединениями.3. Экспериментальные данные по влиянию температуры хладоносителя изаливаемой воды на процесс переноса полимерных модификаторов в массивельда при эксплуатации и зависимости для расчёта концентрациимодифицирующих соединений как функции количества обновлений рабочейповерхности льда.4.

Технология поддержания свойств модифицированного ледового массиваспортивных объектов при эксплуатации.5. Количественная оценка повышения энергоэффективности работыхолодильной машины при эксплуатации модифицированного ледового массивапо сравнению с чистым льдом.Апробация работы.Результаты данной работы докладывались и обсуждались наВсероссийской студенческой конференции «Студенческая научная весна» вМГТУ им Баумана (Москва, 2015 г.); 24-м Конгрессе Международногоинститута холода IIR (Йокогама, Япония, 2015 г.); Всероссийской научнопрактической конференции в ВИАМа «Материалы для технических устройстви конструкций, применяемых в Арктике» (Москва, 2015 г.). Результатыисследования частично получены и применялись в рамках выполнениянаучного проекта РФФИ, проект №13-08-01126 «а».Личный вклад автора.Разработан метод декорирования межкристаллического пространстваорганическими красителями.

Сформулированы критерии, выбраны химическиесоединения и определена макроструктура модифицированного льда. Изученовлияние температуры хладоносителя и температуры заливаемой воды нараспределение модификаторов в массиве льда, концентрация которыхопределяет его скоростные и прочностные свойства. В результате обработкиэкспериментальных данных автором предложены расчётные зависимости,положенные в основу технологии поддержания скользящих и прочностныхсвойств ледовых массивов. Проведена оценка повышения энергоэффективностиработы холодильной машины при эксплуатации модифицированного ледовогопокрытия.Публикации.По результатам работы опубликованы 6 научных работ, в том числе 5статей в реферируемых ВАК РФ журналах.Структура и объем работы.Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка использованнойлитературы и приложений.

Работа изложена на 161 странице текста, содержит78 рисунков, 23 таблицы и список литературы из 79 наименований.3КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность, практическая значимость темыисследования. Сформулирована цель диссертационной работы.В главе 1 представлен обзор и анализ теоретических и экспериментальныхисследований процесса льдообразования и изменения его физико-механическихсвойств с течением времени.В отечественных и зарубежных источниках опубликовано значительноечисло работ, устанавливающих связь физико-механических свойств льда сприсутствием и концентрацией различных видов примесей. Высокиепрочностные свойства и минимальный коэффициент трения конька по льду наспортивных объектах достигаются в результате внесения в воду принамораживании массива смеси высокомолекулярных модификаторов воптимальных концентрации и составе.