Проблемы зимней хладозарядки подземного холодильника Севера Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Е.К. Романова, А.С. Курилко, Ю.А. Хохолов, 2008

Е.К. Романова, А.С. Курилко, Ю.А. Хохолов

ПРОБЛЕМЫ ЗИМНЕЙ ХЛАДОЗАРЯДКИ ПОДЗЕМНОГО ХОЛОДИЛЬНИКА СЕВЕРА

Ж~уодземные холодильники (ПХ) характеризуются как наи-

П Л. б олее экономичный и перспективный тип продовольственного хранилища. Основное преимущество ПХ перед наземными состоит в том, что низкая естественная температура породного массива и значительная его теплоемкость позволяют накопить существенный запас холода в течение зимы, который позволяет сократить энергозатраты на обеспечение требуемого температурного режима хранения продуктов в течение летнего времени. Аккумулирования тепловой энергии особенно актуально на Севере, где продолжительная зима с низкими температурами атмосферного воздуха и широкое распространение многолетнемерзлых грунтов создают возможность накопить естественный холод [1].

Как показали натурные наблюдения, проведенные Б.В. Шургиным [2], сотрудниками лаборатории горной теплофизики ИГДС [3] и другими, несмотря на применение в настоящее время, принудительной вентиляции в зимний период для промороз-ки ПХ, накопление холода породами происходит крайне медленно из-за бессистемности и несовершенства схем вентиляции, недостаточной мощности вентиляторов, низкого контроля за процессами проморозки (хладозарядки), а так же отсутствием методик расчета и прогноза температурного режима, позволяющих выбрать оптимальные режимы проморозки. Так, например, на рис. 1 приведены графики изменения температур воздуха в различных камерах ПХ предприятия «Северо-Восточные электрические сети» АО Якутскэнерго [3], из которых видно, что зимняя хладозарядка не обеспечила нормативную температуру хранения мороженого мяса (-10°С + -18°С, в зависимости от сроков хранения [1]) в камере из-за недостаточной зимней вентиляции (по расходу и продолжительности).

187

18.9.97 17.11.97 16.1.98 17.3.98 16.5.98 15.7.98 13.9.98 12.11.98 11.1.99 0

ч &

св

а &

а

<и С

а

<и Н

-2 -4 -6

-8 -10 -12 -14 -16 -18 -20 -22 -24

1 1,1 1 1 ,1 1

п а в«=з гъ'ь- п П гЛ—1=1-Н-Н-Я—1=1-®—1=1—™-ЯВД

'^дВ'-Ч^- -и-Ш- у у УЖ -

ш

\

Л

<>

I

II

III IV II

I

II

Дата

-о- камера №1 -в- камера №3 -е- камера №3 -д- сбойка -*- камера №4 !-ворота закрыты П-естественная тяга Ш-первая схема вентиляции !У-вторая схема вентиляции

Рис. 1. Температурный режим камер ПХ

Также натурные наблюдения показали, что только зимней хладозарядкой практически невозможно обеспечить нормативную температуру для хранения мороженого мяса в летний период, поэтому камеры хранения должны оборудоваться холодильными установками. Однако в условиях прогрессирующего роста цен на энергоносители эксплуатация холодильных машин становится долее затратной.

Для решения этих вопросов в ИГДС разработана методика расчета температурного режима ПХ для хранения замороженных продуктов [4, 5]. В данной методике подземный холодильник представлен как единая теплоэнергетическая система, состоящая из пяти энергетически взаимосвязанными подсистем (рис. 2). Для поддержания требуемой температуры хранения помимо зимней хладозарядки учитывается возможность применения холодильных установок для выработки искусственного холода.

Методика позволяет прогнозировать температурный режим ПХ в зависимости от режима зимней хладозарядки (начала, продолжительности, интенсивности вентиляции), режима загрузки продуктом (нормативной температуры хранения, времени занесения, объема, теплофизических характеристик, типа укладки продукта), глубины заложения и геометрических размеров выработок, климатических и геокриологических условий.

Оптимизационная задача заключается в выборе таких параметров, при которых в холодильной камере с минимальными эксплуатационными энергозатратами поддерживается необходимая нормативная температура:

минимизировать 2эксп(а1 ,...,а„), (1)

где а^ - регулируемые параметры.

На основе разработанной трехмерной математической модели теплообмена в ПХ разработана методика оптимизации режима хладо-зарядки, позволяющая минимизировать эксплуатационные затраты [6]. Составим оптимизационную задачу минимизации энергозатрат на эксплуатацию подземных холодильников с учетом режима зимней хладозарядки и годового хода температуры наружного воздуха. Эксплуатационные энергозатраты (2эксг) складываются из энергозатрат на зимнюю хладозарядку естественным холодом (2венТ) и энергозатрат на)

189

Рис. 2. Структура подземного холодильника - как единой теплоэнергетической системы

Рис. 3. Пример работы программы с показом схемы расчета и температурных изолиний

выработку искусственного холода холодильными установками летом (ХхопУ-

7

7эк

7 +7

¿-'вент,

вент ^хол

(2

К регулируемым параметрам температурного режима подземного холодильника относятся режим зимней вентиляции (время начала, продолжительность и интенсивность), время занесения продукта в камеры хранения.

Разработан программный комплекс расчета температурного режима подземного холодильника и оптимизации режима вентиляции с помощью трехмерной математической модели, описывающей теплообмен воздуха в камере хранения с окружающим горным массивом и хранимым продуктом, и теплообмен атмосферного воздуха с дневной поверхностью горного массива. Трёхмерность модели позволяет учитывать глубину заложения подземного холодильника, его геометрические характеристики, а

191

также влияние температуры наружного воздуха на формирование температурного режима.

Разработанный пакет программ работает в диалоговом режиме и включает в себя рабочие (расчетные), оптимизирующие и обслуживающие программы. На рис. 3 приведен результат расчета теплового режима холодильной камеры, расположенной на глубине 10 м.

Слева показана трехмерная расчетная область, а справа температурные изолинии вокруг камеры подземного холодильника. Изолинии можно строить по любому заданному сечению трехмерной области. Внизу показано в табличном виде распределение температур горных пород.

Разработанные модели и программный комплекс позволяют выбрать рациональные параметры эксплуатации холодильников (расход воздуха, время проморозки, сроки и объем загрузки) при заданных температурах хранения с учетом климатических и инженерно-геологических условий и минимизировать затраты на их эксплуатацию.

Таким образом, проведенные исследования показали, что в ПХ криолитозоны значительные объемы холода могут быть накоплены породным массивом вмещающим горные выработки при их хорошо организованной принудительной вентиляции атмосферным воздухом в зимний период, что позволяет существенно сократить энергозатраты на зимнюю хладозарядку естественным холодом и на эксплуатацию холодильных машин в летний период.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

2. Шургин Б.В. Исследование и выбор параметров естественной хладоза-рядки подземных холодильников Севера (на примере Якутской АССР) [Текст] / Б.В.Шургин: Автореф. дисс. ... канд. техн. наук / Ин-т горн. дела Севера ЯФ СО АН СССР, Якутск, 1982. - 16 с.

3. Курилко А.С. 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: Матер. научн. конф. - Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН, 2002. - С. 99-107.

192

4. Курилко А.С. 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.

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

6. Хохолов, Ю.А. 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. ЕШ

— Коротко об авторах

Романова Е.К. - младший научный сотрудник,

Курилко А.С. - доктор технических наук, заведующий лаборатории горной теплофизики,

Хохолов Ю.А. - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН, г. Якутск.

д_

- © А.А. Шилов, Е.А. Пак,

193