Диссертация (1025572), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Количественная оценка повышения энергоэффективности работыхолодильной машины при эксплуатации модифицированного ледового массивапо сравнению с чистым льдом.Апробация работы.РезультатыданнойработыдокладывалисьиобсуждалисьнаВсероссийской студенческой конференции «Студенческая научная весна» в8МГТУ им Баумана (Москва, 2015 г.); 24-м Конгрессе Международногоинститута холодаIIR (Йокогама, Япония, 2015 г.); Всероссийской научнопрактической конференции в ВИАМе «Материалы для технических устройстви конструкций, применяемых в Арктике» (Москва, 2015.). Результатыисследования частично получены и применялись в рамках выполнениянаучного проекта РФФИ, проект №13-08-01126 «а».Публикации: По результатам работы опубликованы 6 научных работ, втом числе 5 статей в реферируемых ВАК РФ журналах.Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит извведения, пяти глав, списка использованной литературы и приложений. Работаизложена на 161 странице текста, содержит 78 рисунков, 23 таблицы и списоклитературы из 79 наименований.Во введении обоснована актуальность, практическая значимость темыисследования.
Сформулированы цель и задачи диссертационной работы,представлена её структура.Впервой главе представлен обзор и анализ теоретических иэкспериментальных исследований процесса льдообразования и изменения егофизико-механических свойств с течением времени. Показано, что изменениефизико-механическихсвойствприродногольдастечениемвремениопределяется процессами переноса примесей различного происхождения:солей, органических и воздушных включений. Большое число работ посвященоисследованию миграции рассола (раствора солей) в природных ледниках,происходящейгравитационногоподдействиемстокаградиентарассолавтемпературыокеан.иИсследованиязасчетносятэкспериментальный характер, и единого аналитического описания даже длясолевого раствора не разработано.Во второй главе представлены данные по работе и энергопотреблениюхолодильной машины при эксплуатации модифицированного льда.
Показано,что уменьшение толщины льда при внесении модификаторов до 35 ммпозволяет при эксплуатации поддерживать регламентированную температуру9поверхности льда при работе холодильной машины на нерасчетных режимах:при высоких температурах окружающей среды, при пиковой тепловой нагрузкена ледовое поле. Показано, что модифицированный ледовый массив меньшейтолщины и меньшей инерционности – единственная возможность обеспечиватьнеобходимые температурные режимы в условиях смены видов спорта в течениеодного соревновательного дня.В третьей главе представлены результаты определения теплофизическихсвойств льда, модифицированного смесью различных высокомолекулярныхсоединений.Исследованияпроводилисьспомощьюкриоскопаидифференциального сканирующего калориметра.
Объектом исследованияслужили дистиллированная вода, смесь модифицирующих соединений вконцентрации, рекомендуемой для хоккейных ледовых полей (7 ppm), а такжерастворы каждого из компонентов смеси в концентрациях, вносимыхнепосредственно в бак льдозаливочного комбайна. Анализ кривых измененияфазового состояния исследуемых образцов показал, что во всём рабочеминтервале температур ледового поля все группы вводимых модификаторов непретерпевают фазовых превращений, что приводит к снижению тепловойнагрузки на холодильные машины.
Удельное количество теплоты, поглощаемоепри 0 °С при плавлении для смеси модификаторов 7 ppm меньше аналогичногопараметра для чистой воды (334 кДж/кг) и составляет 280 кДж/кг. Привнесении модификаторов часть свободной воды переходит в связанноесостояние с молекулами модификаторов, и не образует твердую фазу.Доказано, что внесение модификаторов не приводит к увеличению удельнойтеплоемкости модифицированного льда в диапазоне рабочих температурот 0 до минус 10 °С.
Теплопроводность чистого и модифицированного льдатакже совпадают.Четвертаяглавапосвященаисследованиюмакроструктурыформируемого льда и первоначального распределения в нём внесённыхмодифицирующихсоединений.Описанамобильнаяэкспериментальнаяустановка, разработанная для воспроизведения условий одномерного отвода10тепла при намораживании льда на реальном спортивном объекте. При всехтемпературных режимах работы системы хладоснабжения сохраняетсяполикристаллическая гексагональная макроструктура модифицированногольда, геометрическими соотношениями напоминающая соты. Предложенновыйметодизучениямакроструктурыльда–методвизуализациимежкристаллического пространства с помощью декорирования красителями.Представленырезультатыисследованияпервоначальногораспределенияорганических модификаторов в сформированном массиве льда.
С этой цельюразработанаоригинальнаяметодикаисследований.Экспериментальноопределено, что изменение температуры хладоносителя является главныминструментом воздействия на характер распределения модификаторов всоздаваемом массиве льда. Предложена расчетная зависимость распределениямодификаторов в массиве льда от средней скорости кристаллизации принамораживании. В результате проведенных исследований установлено, чтотребуемое соотношение достигается при средних скоростях намораживания винтервале от 0,7 до 1,0 мм/ч. Экспериментально также установлено, что болееравномерному распределению по глубине массива способствует внесениемелкодисперсных фторсодержащих суспензий фторопласта (ПТФЭ). В составевносимыхсмесейониявляютсянаиболеекрупнымиструктурнымисоединениями, с молекулярной массой до 107 а.е.м., и наиболее прочнозахватываются фронтом кристаллизации при его движении.Пятая глава посвящена разработке технологии поддержания скоростныхи прочностных свойств модифицированного ледового массива.
Описанасотово-капиллярная модель переноса модификаторов в массиве льда приэксплуатации. Представлены результаты экспериментов по визуализациипроцесса на примере миграции красителя Coomassie Brilliant Blue в образцемодифицированного льда. Установлено, что вторым инструментом воздействияна интенсивность миграции модификаторов является температура воды приобновлении поверхности льда. Экспериментально подтверждена возможностьпроникновения модификаторов с поверхности массива вглубь.
Таким образом,11для обогащения модификаторами истощенного верхнего слоя массива состороны поверхности необходимо предварительно отеплить верхний слой льданесколькимигорячимизаливками,увеличивающимиобъёммежкристаллического пространства.Представлены результаты исследования в лабораторных условияхпроцесса переноса модификаторов в ледовом покрытии при эксплуатации.Показано, что перераспределение модификаторов по глубине массива приэксплуатации определяется не временной координатой, а количеством заливокгорячей водой.
Предложена расчетная зависимость изменение концентрациимодификаторов в поверхностном слое от количества заливок, которая положенавосновутехнологииподдержанияфизико-механическихсвойствмодифицированных ледовых массивов. Приведены результаты одновременногомониторинга физико-механических свойств ледового массива и химическогосоставаповерхностногослояльданареальныхледовыхобъектах.Экспериментально определена периодичность внесения модификаторов дляскоростных и технических видов спорта, равная соответственно 20 и 80обновлениям для поддержания физико-механических свойств массива.Представлена технология поддержания свойств модифицированноголедового массива для различных видов спорта и различных типов объектов.Данырекомендациипоизменениютемпературыхладоносителяприэксплуатации модифицированного ледового покрытия, обеспечивающиемаксимальное время сохранения ледовым покрытием своих свойств бездополнительно внесения модификаторов.
Определено, что эксплуатациямодифицированного ледового покрытия в течение сезона позволяет снизитьнагрузку на холодильные машины от 12 до 16 % в зависимости от режимаэксплуатации по сравнению с чистым льдом..12ГЛАВА 1. Современное состояние в области исследованийПервые отечественные публикации на тему изменения свойств льдапоявились в Советском Союзе в 70-х годах. В патентах SU 444039 [2],SU 1242505 [3], SU 1649218 [4] предлагается модифицировать лед различнымихимическими соединениями (полиокс, глицерин и поливиниловый спирт,крахмал) для улучшения его скользящих и прочностных свойств.
Иностранныепатенты US 6119466 [5], CA2249770 [6], CA 2213114 [7], US 4953360 [8]аналогичнопредлагаютиспользоватьорганическиесоединения(полидиметилсилоксан, полиамин, Fluftone S-90, силоксан).Современные российские патенты по изменению физико-механическихсвойствледовогомассиваспортивногоназначенияописываюттолькотехнологию намораживания льда: режимные параметры, группы вводимыххимических соединений и их концентрации. Высокие прочностные свойства иминимальный коэффициент трения конька по льду на спортивных объектахдостигаются в результате внесения в воду при намораживании массива смесивысокомолекулярных модификаторов.
Наиболее полное описание данногометодамодификацииГончаровойГ.Ю. [9]представленоизакрепленоввдиссертационнойпатентахRUработе2274810[10],RU 2293933 [11], RU 2293934 [12], RU 2310142 [13], RU 2335707 [14],RU 2364804 [15], RU 2364805 [16], RU 2364806 [17], RU 2364807 [18],RU 2386089возможность[19].Изменениепостоянногоестественных свойств льдаулучшениярезультатовобеспечиваетспортсменов,делаяосновным критерием успеха его мастерство, а не выносливость. Более того,технология модифицирования позволяет получить качественное ледовоепокрытие в условиях суточных изменений погодных условий на такихоткрытых ледовых объектах, как санно-бобслейная трасса.Однако при периодических подрезках отработанных слоёв льда изаливкахчистойводойпроисходитизменениехимическогосостава13поверхностного слоя льда, и постепенная утрата его прочностных и скоростныхсвойств.
Задача поддержания концентрации модификаторов в рекомендуемомдиапазоне требует исследования процессов их перераспределения в массивельдаподдействиемтермическойиконцентрационнойсоставляющихдиффузии. Ни в одной работе не поднимается вопрос сохранения полученных врезультате модификации свойств при эксплуатации ледового массива. В связи сэтим проведён обзор и анализ работ в смежных областях науки, наиболееблизких решаемой в данной работе задаче.1.1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
