CC BY
12РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ПОДЗЕМНОГО КРИОХРАНИЛИЩА
и спутниковым методами. Расхождения могли, на наш взгляд, быть связаны с особенностями применяемых методик измерения, а также с тем, что данные лидарных измерений представляли собой средние за ночь профили высотного распределения температуры, а спутниковые измерения относились к определенным моментам времени пролетов спутников. Кроме того, данные спутниковых измерений относились не к конкретно заданной географической координате, а к координатам, находящимся внутри заданного радиуса поиска траектории спутника (например, 500 км).
Работа выполнена при финансовой поддержке Интеграционного проекта СО РАН № 106.
Литература
1. Matsuno T. A dynamical model of the stratospheric sudden warming // J. Atmos. Sci. - 1971. - 28. -P.1479-1494.
2. VonZahn U., Fiedler J., Naujokat B. et al. A note on record-hight temperatures at the northern polar stratopause in winter 1997/98 //Geophys. Res. Lett. -1998. - Vol. 25, № 22. - P. 4169-4172.
3. Labitzke K. Stratospheric-mesospheric midwinter disturbances: A summary of observed characteristics // J. Geophys. Res. - 1981. - Vol. 86. - P. 9665-9678.
4. Маричев В.Н. Лидарные наблюдения зимних стратосферных потеплений над Томском в 19962000 гг. // Метеорология и гидрология. - 2001. - №8. - С.41-48.
5. Manney G.L., Schwartz M.J., Kruger K. et al. Aura Microwave Limb Sounder observations of dynamics and transport during the record-breaking 2009 Arctic stratospheric major warming // Geophys. Res. Lett. - 2009. -Vol. 36, L12815, doi:10.1029/2009GL038586.
6. Manney G.L., Schwartz M.J., Kruger K. et al. Aura Microwave Limb Sounder observations of dynamics and
transport during the record-breaking 2009 Arctic stratospheric major warming // Geophys. Res. Lett. -2009. - Vol. 36, L12815, doi:10.1029/2009GL038586.
7. ShepherdM.G., Wu D.L., Fedulina I.N. et al. Stratospheric warming effects on the tropical mesospheric temperature field // J. Atmos. Sol. Terr. Phys. - 2007. -Vol. 69. - P. 2309-2337.
8. Варгин П.Н., Юшков В.А., Хайкин С.М. и др. Изменение климата и средняя атмосфера - вопросов все больше // Вестник РАН. - 2010. - №2. - С. 114124.
9. Chau J.L., Fejer B.G., Goncharenko L.P. Quiet variability of equatorial E x B drifts during a sudden strato -spheric warming event // Geophys. Res. Lett. - 2009. -Vol. 36, L05101, doi:10.1029/2008GL036785.
10. Pancheva D., Mukhtarov P. Strong evidence for the tidal control on the longitudinal structure of the ionospheric F region // Geophys. Res. Lett. - 2010. -Vol. 37, L14105, doi:10.1029/2010GL044039.
11. Маричев В.Н. Лидарные исследования проявления стратосферных потеплений над Томском в 2008-2010 гг. // Оптика атмосферы и океана. - 2011. - Т. 24, № 5. - С. 386-391.
12. Маричев В.Н., Николашкин С.В., Титов C3. Лидарные наблюдения зимних стратосферных потеплений над Якутском в 2005-2007 гг. // Сборник докладов IV Международной конференции «Солнечно-земные связи и предвестники землетрясений». -2007. - С.159.
13. Куркин В.И., Черниговская М.А., Маричев В.Н. и др. Особенности проявления зимних внезапных стратосферных потеплений в период 2008-2010 гг. над регионами Сибири и Дальнего Востока России по данным лидарных и спутниковых измерений температуры // Солнечно-земная физика: сб. науч. тр. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2011. - Вып. 17(130). - С. 166-173.
Поступила в редакцию 15.12.2012
УДК 622.413.4:551.34
Регулирование температурного режима подземного криохранилища путем управления теплообменом на дневной поверхности
А.С. Курилко, Ю.А. Хохолов, Е.К. Романова
Приведены результаты исследований влияния различных вариантов управления теплообменом на дневной поверхности на тепловую нагрузку на холодильное оборудование, поддерживающее стабильный температурный режим в камере хранения подземного криохранилища.
Ключевые слова: вечная мерзлота, подземное криохранилище, температурный режим, математическая модель, холодильное оборудование, тепловые нагрузки.
КУРИЛКО Александр Сардокович - д.т.н., зав. лаб. ИГДС СО РАН, a.s.kurilko@igds.ysn.ru; ХОХОЛОВ Юрий Аркадьевич - д.т.н., в.н.с. ИГДС СО РАН, khokholov@igds.ysn.ru; РОМАНОВА Елена Константиновна - к.т.н., н.с. ИГДС СО РАН, helconst@mail.ru.
КУРИЛКО, ХОХОЛОВ, РОМАНОВА
The results of studies of the effect of different ways of the control of the heat exchange on the ground surface to the heat load on the refrigerating equipment maintaining stable temperature regime in the underground cryostorage chamber are presented.
Key words: permafrost, underground cryostorage, temperature regime, mathematical model, refrigerating equipment, thermal loads.
В основу регулирования температурного режима подземного криохранилища должен быть положен принцип высокой энергетической эффективности для устойчивого поддержания требуемой температуры хранения семенного фонда в течение столетия при условии максимального использования естественного холода [1].
Для прогноза температурного режима камеры хранения подземного криохранилища разработана трехмерная математическая модель тепло-обменных процессов в камерах хранения подземного криохранилища (рис.1), учитывающая природно-климатические условия (солнечную радиацию, динамику изменения температуры атмосферного воздуха, толщины снега, скорости ветра), конструктивные особенности (гео-
Z
0
y1к
y2K t.
Рис. 1. Расчетная область Q, где xK, хг, у 1 к, у2к, y, z, - координаты её границ
5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
а
-солнечная радиация(+), снег(+), теплоизоляция(-) ■ солнечная радиация(+), снег(-), теплоизоляция(-)
- солнечная радиация(-), снег(-), теплоизоляция(-)
- солнечная радиация(-), снег(-), теплоизоляция(+)
4 5 6 7 Годы эксплуатации
10
метрические размеры и глубину заложения камеры, теплофизические свойства и геометрические размеры теплоизоляции поверхностей камеры и теплоизоляции дневной поверхности над камерой) и технологические условия эксплуатации (режим вентиляции, режим работы холодильных установок, режим загрузки биоматериалом) [1].
Численная реализация разработанной трехмерной модели позволяет исследовать влияние теплообмена на дневной поверхности на тепловую нагрузку на холодильное оборудование, поддерживающее стабильный температурный режим в камере.
Мощность холодильных установок, необходимая для поддержания требуемой температуры воздуха в камере, рассчитывается по величине теплопритоков в камеру.
Проведены тестовые расчеты по оценке влияния различных вариантов управления теплообменом на дневной поверхности на тепловую нагрузку на холодильное оборудование.
Расчеты проведены для климатических условий г. Якутска. Размеры камеры хранения: ширина - 6 м, высота - 4 м, длина - 50 м. Камера заложена на глубине 15 м. Эксплуатационный год начинается осенью с наступлением отрицательных температур атмосферного воздуха (конец сентября). Во время эксплуатации зимняя хладозарядка камеры не проводится, необходимая температура хранения (-8 °С) поддерживается с помощью холодильных установок.
На рис. 2 представлена динамика изменений теплопритоков в камеру и температуры воздуха
б
0 -1
С -2
а -з т -4
; -5 -6 -7 -8 -9 -10
10
"солнечная радиация(+), снег(+), теплоизоляция(-) ■ солнечная радиация(+), снег(-), теплоизоляция(-) -солнечная радиация(-), снег(-), теплоизоляция(-) ■солнечная радиация(-), снег(-), теплоизоляция(+) Годы эксплуатации
Рис. 2. Теплопритоки (а) и температура (б) в камере при разных вариантах управления теплообменом на дневной поверхности: (-) - отсутствие параметра управления теплообменом; (+) - присутствие параметра управления теплообменом
2
8
1
6
3
5
9
4
7
2
8
9
3
18
НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2013, №1
ИССЛЕДОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ НЕЗАМЕРЗШЕЙ ВОДЫ В ГРУНТАХ МЕТОДОМ КИНЕТИКИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
Годы эксплуатации
Рис. 3. Теплопритоки в камеру в зависимости от толщины теплоизоляционного слоя на дневной поверхности
в камере за первые 10 лет эксплуатации при разных вариантах управления теплообменом на дневной поверхности: расчистка снега зимой и теплоизоляция поверхности летом. Расчеты проведены при толщине теплоизоляции 0,2 м с коэффициентом теплопроводности 0,1 Вт/(мК). Теплоизоляция осуществляется сезонно на период, когда температура атмосферного воздуха выше -8°С.
Расчеты показали, что при удалении зимой снега на дневной поверхности тепловые нагрузки на холодильное оборудование снижаются максимально (в 10-м году эксплуатации) на 48%, температура в камере опускается с -3,5 до -4,7°С, а если при этом оградить дневную поверхность от солнечной радиации, то соответственно до 54% и до -5°С. Дополнительное использование в теплое время года теплоизоляции на дневной поверхности над камерой доводит снижение тепловых нагрузок на холодильное оборудование до 61%, температуры в камере до -5,5°С.
На рис. 3 представлена динамика изменений теплопритоков в камеру за первые 10 лет эксплуатации при разной толщине теплоизоляции, возводимой в теплое время года. Расчеты показывают, что применение теплоизоляции толщиной 0,2 м в 10-м году эксплуатации сокращает тепловые нагрузки на холодильное оборудование на 16%, а толщиной 0,8 м - на 34%.
Заключение
Исследования показали, что путем управ ле-ния теплообменом на дневной поверхности можно добиться существенного сокращения тепловых нагрузок на холодильное оборудование, обеспечивающее стабильный температурный режим подземного криохранилища.
В целях повышения энергоэффективности эксплуатации подземного криохранилища рекомендуется дневную поверхность над камерой:
- зимой освобождать от снежного покрова;
- в теплое время года (когда температура атмосферного воздуха выше температуры хранения биомассы) теплоизолировать максимально возможным способом от теплового влияния атмосферного воздуха;
- оградить от солнечной радиации.
Работа выполнена в рамках Междисциплинарного интеграционного проекта фундаментальных исследований СО РАН № 7.
Литература
1. Курилко А.С., Хохолов Ю.А., Романова Е.К., Киселев В.В. Закономерности формирования температурного режима подземного криохранилища в условиях вечной мерзлоты // Наука и образование. -2012. - №1. - С. 20-24.
Поступила в редакцию 07.02.2013
УДК 551.343.74
Исследование содержания незамерзшей воды в грунтах методом кинетики кристаллизации
Е.Г. Старостин, Е.Е. Петров
Представлены результаты исследования содержания незамерзшей воды в грунтах методом кинетики кристаллизации. В исследованном интервале температуры выявлена сильная зависимость содержания незамерзшей воды от общей влажности.
Ключевые слова: грунты, поровая вода, кристаллизация, кинетика, незамерзшая вода, температура начала замерзания, термограмма.
СТАРОСТИН Егор Гаврильевич - д.т.н., в.н.с. ИФТПС СО РАН, e.g.starostin@iptpn.ysn.ru; ПЕТРОВ Егор Егорович - д.т.н., проф. каф. Института математики и информатики СВФУ.
