Автореферат (Повышение энергоэффективности системы ледовое покрытие – холодильная установка путём поддержания заданных свойств модифицированного льда), страница 2

При периодических подрезкахотработанных слоёв льда и заливках чистой водой происходит изменениехимического состава поверхностного слоя льда и постепенная утрата егопрочностных и скоростных свойств. Задача поддержания концентрациимодификаторов в рекомендуемом диапазоне требует исследования процессових перераспределения в массиве льда под действием термической иконцентрационной составляющих диффузии. Работ по исследованию диффузииво льду смеси высокомолекулярных соединений, существенно различающихсяпо молекулярной массе, строению, пространственной конфигурации иповерхностной активности, в открытой печати не обнаружено. Большое числоработ посвящено исследованию миграции рассола в ледниках, происходящейпод воздействием градиента температуры и за счет гравитационного стокарассола в океан. Обзор показал, что первый шаг в прогнозированиинаправления и интенсивности диффузии – получение кривой первоначальногораспределения примесей в ледовом массиве или – концентрационного профиля.Большинство работ по исследованию первоначального распределения солей вольду и последующей миграции носит экспериментальный характер, и единогоаналитического описания даже для солевого раствора не разработано.Предложенные в работах О.М.

Андреева, Ю.Л. Назинцева, В.В. Пановаэмпирические зависимости получены на основе статистической обработки иобобщения данных отдельных ледников и применимы исключительно дляконкретных объектов. В работах Э. Паундера, Б.А. Савельева, Ю.П. Доронина идругих было установлено, что интенсивность миграции солей во многомопределяется формой их включения в структуру ледника. Они могут бытьравномернораспределеныпомежкристаллическомупространству,располагаться в виде отдельных замкнутых ячеек, капилляров, пор. Такимобразом, изучение миграции примесей требует изучения структурыобразованного льда и их первоначальной локализации.В отличие от природных ледников миграция модификаторов в спортивныхледовых массивах не развивается непрерывно во времени, а происходит впульсационном режиме при импульсном термическом воздействии – заливкахгорячей водой, создающих кратковременное отепление верхних слоёв льда и4активизирующихдиффузионныепроцессы.Поэтомураспределениемодификаторов по глубине массива (концентрационный профиль) в периодэксплуатации является функцией не времени, а числа штатных обработок льда,разделённых различными по продолжительности отрезками времени, чтоделает неправомерным использование традиционных пространственновременных математических моделей, в частности, законов Фика, описывающихдиффузионные процессы в однородных телах при отсутствии внешнихвоздействий.Анализ научно-технической литературы позволил сформулировать задачиисследования, обосновать в качестве единственного пути решенияпоставленныхзадачпроведениеоригинальныхэкспериментальныхисследований и получение обобщённых эмпирических зависимостей.Задачи исследования:1.

Рассмотреть работу холодильной машины ледового поля на нерасчетныхрежимах при эксплуатации модифицированного ледового массива.2. Исследовать теплофизические свойства льда, модифицированногоразличными полимерными соединениями.3. Определить влияние температуры хладоносителя и заливаемой воды напроцесс переноса полимерных модификаторов в массиве льда приэксплуатации и предложить зависимости для расчёта концентрациимодифицирующих соединений как функции количества обновлений рабочейповерхности льда.4.

Разработать технологию поддержания свойств модифицированныхледовых массивов на спортивных объектах при их эксплуатации.5. Определить периодичность внесения полимерных модификаторов дляподдержания скользящих и прочностных свойств льда.6. Дать количественную оценку повышения энергоэффективности работыхолодильной машины при эксплуатации модифицированного ледового массивапо сравнению с чистым льдом.В главе 2 представлены данные по работе и энергопотреблениюхолодильной машины ледового поля при эксплуатации модифицированногольда.В 2.1 представлены данные по работе холодильной машины нанерасчетных режимах при эксплуатации модифицированного массива.Увеличение прочности льда при использовании модификаторов позволяетуменьшить рабочую толщину льда и поддерживать установленнуюрегламентами температуру льда при высоких температурах окружающей среды,что особенно важно в летние месяцы функционирования ледовых комплексов.На Рисунке 1 представлено изменение температур подачи хладоносителя и льдана уровне бетонного основания при работе холодильных машин в наиболеенапряжённые периоды времени при круглосуточной загрузке арены: утренниетренировки команд и вечерние матчи в присутствии 12 тысяч зрителей.

Частыемашинные заливки горячей водой, регламентированные правиламисоревнований по хоккею, теплоприток от демонстрационного освещения исредств телевизионной трансляции приводят к существенному повышению5температуры льда. Каждый пик на графике – результат отепления льда призаливке. Снижение средней толщины ледового покрытия до 35 мм позволило вуказанных экстремальных условиях поддерживать температуру льда на уровнебетонного основания от минус 9 до минус 7,0 °С, что соответствуеттемпературе льда на поверхности от минус 5 до минус 6°С.Рисунок 1.

Изменение температуры льда на уровне бетонного основанияМодификация ледового массива – единственная возможностьобеспечивать необходимые температурные режимы в условиях смены видовспорта в течение одного соревновательного дня. Например, припоследовательном проведении соревнований по фигурному катанию и шорттреку,необходимоизменятьтемпературуповерхностильдаот минус 2 до минус 7 °С в течение нескольких часов, и наоборот, чтовозможно только при малой толщине ледового покрытия, обладающегосущественно меньшей инерционностью. На Рисунке 2 представлен графикизменения температур хладоносителя tхн, обеспечивающий максимальноеприближение к требуемым параметрам льда на поверхности массива.Фиолетовыми линиями обозначены заливки горячей водой.В 2.2 дана количественная оценка энергозатрат на работу холодильноймашины при эксплуатации модифицированного массива.

Энергетическиезатраты на поддержание ледового поля за год (E) определяются режимамиэксплуатации ледовой арены (видами соревнований, тренировок, ихпродолжительностью и количеством зрителей) и могут быть представлены ввиде:,6(1)Температура, ºСгде N1, N2, N3 – мощность, потребляемая холодильными машинами всоревновательном, тренировочном и ночном режимах эксплуатации;τ1, τ2, τ3 – продолжительность режимов.Время, минtхнtбетtповРисунок 2. График изменения температуры хладоносителя при смене видовспортаПредставлены данные по среднему энергопотреблению ледовой арены приэксплуатации модифицированного ледового покрытия толщиной 35 мм длялетнего и зимнего периодов, полученные из системы диспетчеризациихолодильных машин (Таблица 1).

Расчетное энергопотребление за год посоотношению (1) составляет около 1500 МВт∙Ч.Таблица 1.Энергопотребление при эксплуатации модифицированного льдаРежимСоревнованияТренировкиНочьВремя,ч/годТемпературахладоносителя, ºС120040002500- 13- 11-9Энергопотребление, кВтАвгустДекабрь300270140210160110В главе 3 представлены результаты определения теплофизических свойствльда,модифицированногосмесьюразличныхвысокомолекулярныхсоединений. Исследования проводились с помощью криоскопа ОСКР-1 идифференциального сканирующего калориметра (ДСК) DSC 204 F1 Phoenix.Объектомисследованияслужилидистиллированнаявода,смесьмодифицирующих соединений в концентрации, рекомендуемой для хоккейныхледовых полей (7 ppm), а также растворы каждого из компонентов смеси вконцентрациях, вносимых непосредственно в бак льдозаливочного комбайна.Анализ кривых изменения фазового состояния исследуемых образцов показал,что во всём рабочем интервале температур ледового поля все группы вводимыхмодификаторов не претерпевают фазовых превращений, что приводит кснижению тепловой нагрузки на холодильные машины.Экспериментально доказано, что внесение модификаторов не влияет натемпературу начала кристаллизации.

Криоскопическая температура для чистой7воды и для раствора смеси модификаторов 7 ppm составляет0,003 ± 0,002 и 0,014 ± 0,002 °С, соответственно. Экспериментальноопределено, что удельное количество теплоты, поглощаемое при 0 °С приплавлении для смеси модификаторов 7 ppm, меньше аналогичного параметрадля чистой воды (334 кДж/кг) и составляет 280 кДж/кг. При внесениимодификаторов часть свободной воды переходит в связанное состояние смолекулами модификаторов, и не образует твердую фазу. Экспериментальноопределены значения удельной теплоёмкости всех исследуемых образцов вдиапазоне температур от минус 30 до плюс 20 ºС, полученыаппроксимирующиезависимости.Абсолютныезначенияудельнойтеплоёмкости для модифицированного льда в диапазоне рабочих температурот 0 до минус 10 °С отличается в меньшую сторону от чистого льдав пределах 4 %.Сравнение теплопроводности чистого и модифицированного льдапроводилось в идентичных условиях с помощью термометров сопротивления итепловизионной съемки.