Автореферат (Повышение энергоэффективности системы ледовое покрытие – холодильная установка путём поддержания заданных свойств модифицированного льда), страница 4

Методомдекорирования установлено, что глубина проникновения модификаторов, впервуюочередь,определяетсяраспределениемтемпературывприповерхностных слоях льда. Таким образом, для обогащениямодификаторами истощенного верхнего слоя массива со стороны поверхностинеобходимо предварительно отеплить верхний слой льда несколькимигорячими заливками,увеличивающими объёммежкристаллическогопространства.В 5.2 представлены результаты исследования перераспределениямодификаторов в поверхностном слое при моделировании процессаэксплуатации.

На экспериментальном стенде сначала намораживалсямодифицированный ледовый массив, а затем проводились подрезки верхнегослоя с заливками чистой горячей водой (имитация процесса эксплуатации). НаРисунке 9, а представлены результаты исследования динамики изменениясостава поверхностного слоя льда.

По оси абсцисс отложено время проведениязаливок. Каждая экспериментальная точка – результат химического анализасоскоба льда после очередной заливки с подрезкой, а красная линия – искомоеизменение концентрации модификаторов на поверхности массива. Тренд всехэкспериментальных кривых практически идентичен.б)а)Время, чРисунок 9. Изменение концентрации модификаторов в поверхностном слое (а),эмпирические зависимости (б)13Обнаружено, что при частых подрезках верхнего слоя и заливках безмодификаторов происходит монотонное снижение их концентрации вповерхностном слое льда (красная линия). При длительном ночном перерыве врезультате действия концентрационной и термической составляющихдиффузии органические соединения в отепленном за день массиве постепенноподнимаются к поверхности.

Причём, чем больше заливок произведено втечение дня (более отепленный массив), тем с большей интенсивностьюпроисходит их миграция к поверхности в ночной период. Очевидно, чтоперераспределение модификаторов действительно определяется количествомзаливок горячей водой N, а не временем τ. В результате обработкиэкспериментальных данных предложена эмпирическая зависимость для расчётаизменения концентрации модификаторов в поверхностном слое от количествапроведённых заливок с механическим удалением верхнего обновляемого слояльда (Рисунок 9, б). Она аппроксимирована двумя степенными функциями:ζ = 10,45∙N -0,9 при N ≤ 4(3)ζ = 3,80∙N -0,3 при N > 4В 5.3 приведены результаты мониторинга физико-механических свойств ихимического состава ледового массива на действующих ледовых объектах 2-хтипов: для скоростных видов спорта (без включения ПТФЭ в составмодифицирующей смеси) и массивов повышенной прочности длятехнических видов (с внесением ПТФЭ).

Расчетные зависимости для оценкиконцентрации модификаторов в поверхностном слое после проведенияопределённого числа заливок, полученные на действующих объектах,идентичны полученным в лабораторных экспериментах.Исследования изменений скоростных свойств льда в процессеэксплуатации проводились с использованием комплекса специализированногооборудования, включающего одноопорный скользиметр, приводимый вдействие стартовым импульсом идентичной силы, и системы хронометража.Изменение прочностных характеристик льда оценивалось по сопротивлениюльда ударной нагрузке с помощью установки, имитирующей приземлениефигуриста после прыжков и выбросов. По данным мониторинга измененияфизико-механических свойств ледового массива в процессе эксплуатации(Рисунок 10) экспериментально определено количество обновлений Nmax, послекоторого практически происходит утрата эффекта упрочнения льда,достигаемого за счёт демпфирующего действия присутствующих вмежкристаллическом пространстве модификаторов.

На основе этих данныхопределена периодичность внесения модификаторов для поддержания свойствльда. Для скоростного массива Nmax составляет 20, при снижении концентрациимодификаторов в приповерхностных слоях льда до уровня 0,5 мг/л.Аналогичные величины для массива повышенной прочности с ПТФЭсоставляют 80 обновлений и 1,0 мг/л.

Экспериментально установлено, что бездополнительного внесения модификаторов для обеспечения необходимойпрочности необходимо увеличить толщину льда до 50 мм после 150 заливок идо 65 мм после 300 обновлений.14Объем разрушения, млСредняя скорость, м/сКоличество обновлений, NРисунок 10. Изменение физико-механических свойств льда при эксплуатации:технические виды спорта (1), скоростной массив для шорт-трека (2)В 5.4 представлена технология поддержания свойств модифицированноголедового массива для различных видов спорта и дана количественная оценкаповышения энергоэффективности работы системы хладоснабжения приэксплуатации модифицированного ледового массива по сравнению с чистымльдом.Обоснована периодичность внесения модификаторов для ледовыхмассивов с агрессивными по отношению ко льду видами спорта (хоккей,фигурное катание): от 2 до 4 раз в месяц.

Для конькобежных овалов,предназначенных для скоростных видов спорта, внесение модификаторовдолжно производиться в соответствии с графиком проведения соревнований иисключительно в поверхностный слой.Снижение общей толщины модифицированного ледового массивапозволяет подавать в ледовое поле хладоноситель с температурой на несколькоградусов выше, чем при эксплуатации чистого льда, что является основнымфактором экономии электроэнергии. Мониторинг на реальной ледовой аренепозволил определить среднюю величину требуемой холодопроизводительностидля компенсации теплопритоков к полю для каждого из режимов.

Данные длярасчета представлены в Таблице 2.Таблица 2.Режимы эксплуатации ледовой ареныРежимВремя,ч/годСоревнованияТренировкиНочь120040002500Холодопроизводительность,Температура хладоносителя, ºСкВтЧистый Модифицированный ЧистыйМодифицированный540320180520300160- 16- 15- 11- 13- 12-9Энергопотребление по соотношению (1) за сезон при эксплуатациичистого льда составляет 1420 МВт∙Ч, для модифицированного льда1230 МВт∙Ч. Энергетические затраты снижаются от 12 до 16 % в зависимостиот режима эксплуатации.15Основные выводы и результаты1.

Эксплуатация модифицированного ледового покрытия меньшейтолщины в течение сезона позволяет снизить нагрузку на холодильные машиныот 12 до 16 % в зависимости от режима эксплуатации.2. Экспериментально подтверждена возможность поддержания требуемойтемпературы поверхности льда при работе холодильной машины в нерасчетныхрежимах за счет снижения термического сопротивления модифицированноголедового массива.3.Определенытеплофизическиесвойстваводногольда,модифицированного различными компонентами. Доказано, что во всёмрабочем интервале температур ледового объекта все группы вводимыхмодификаторов не претерпевают фазовых превращений, что приводит кдополнительному снижению тепловой нагрузки на холодильные машины.4.

Установлены основные закономерности переноса модификаторов вледовом покрытии при эксплуатации и выявлены основные факторы,определяющие характер распределения модифицирующих соединений поглубине массива: температуры хладоносителя и заливаемой воды при штатныхобработках льда.5.

Предложены эмпирические зависимости, описывающие влияниескорости кристаллизации на распределение модификаторов по глубине массиваи интенсивность их последующего переноса в период эксплуатации.6. Предложена и апробирована технология поддержания свойствмодифицированного ледового массива. Экспериментально определенапериодичность внесения модификаторов для скоростных и технических видовспорта, равная соответственно 20 и 80 обновлениям, для поддержания физикомеханических свойств массива.Основные публикации по теме диссертации1.

Особенности распределения высокомолекулярных соединений вледовых структурах спортивных объектов как одна из задач прикладнойфизики кристаллизации / Т.Г. Устюгова [и др.]. // Холодильная техника. 2015.№ 6. С. 26-34. (0,5 п.л. / 0,17 п.л.).2. Декорирование как метод изучения структуры и тепломассопереноса вмодифицированных ледовых массивах / Т.Г. Устюгова [и др.]. // Холодильнаятехника. 2016. № 9. С. 49-55. (0,5 п.л.

/ 0,25 п.л.).3. Исследование возможностей снижения фрикционного взаимодействия впаре «конек-лед» путем модификации структуры обеих контактирующихповерхностей / Т.Г. Устюгова [и др.]. // Вестник РФФИ. 2015. № 3 (87).С. 45-53. (0,5 п.л. / 0,125 п.л.).4.

Физико-механические свойства композиционных материалов на основеледяной матрицы / Т.Г. Устюгова [и др.]. // Материаловедение. 2017. № 2.С. 33-40. (0,45 п.л. / 0,05 п.л.).5. Новые аспекты развития ледовых и лазерных технологий для спортавысших достижений / Т.Г. Устюгова [и др.]. // Холодильная техника. 2016.№ 12.

С. 36-42. (0,4 п.л. / 0,1 п.л.).16.