CC BY
0под воздействием фильтрации воды, насыщенной углекислым газом // Актуальные проблемы нефти и газа. 2021. Вып. 2(33). С. 3-14.
10. Дучков А.Д., Железняк М.Н., Соколова Л.С., Семенов В.П. Зоны стабильности гидратов метана и диоксида углерода в осадочном чехле Вилюйской синеклизы // Криосфера Земли. 2019. Т. XXIII, № 6. C. 19-26.
11. Kalacheva L.P. Ivanova I.K., Portnyagin A.S., Rozhin I.I., Argunova K.K., Nikolaev A.I. Determination of the lower boundaries of the natural gas hydrates stability zone in the subpermafrost horizons of the Yakut arch of the Vilyui syneclise, saturated with bicarbonate-sodium type waters // SOCAR Proc., Special. 2021. № 2. P. 1-11.
12. Мельников В.П., Нестеров А.Н., Поденко Л.С., Решетников А.М. Влияние диоксида углерода на плавление подземного льда // Доклады академии наук. 2014. Т. 459, № 3. С.337-339.
13. Hodgman C.D. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 44th Ed. Cleveland: Chemical Rubber Co, 1961. 2850 p.
DOI: 10.24412/cl -37269-2024-1-155-158
ТЕПЛОТА ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ ВОДЫ КАК ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЙ ИСТОЧНИК
ЭНЕРГИИ
Кузьмин Г.П., Куваев В.А.
Институт мерзлотоведения СО РАН, г. Якутск [email protected]
Отмечается, что в условиях криолитозоны существует возможность эффективного использования криоэнергетическихресурсов, в том числе теплоты кристаллизации воды. Из-лагатся технология отопления некоторых видов производственных, спортивных и других помещений теплотой кристаллизации воды. Приведены основные результаты испытания технологии для отопления опытного гаража. Представлено описание круглогодично действующего охлаждающего устройства в диапозоне положительных температур и способа снижения воздействия морозного пучения грунтов на свайные фундаменты и опоры сооружений, в которых также используется теплота кристаллизации воды.
Введение. В период современного интенсивного освоения северных территорий уделяется повышенное внимание ученых и практиков проблеме использования криогенных ресурсов. Различные аспекты проблемы изучают во многих научно-исследовательских учреждениях.
В условиях криолитозоны существует необходимость и возможность эффективного использования энергии возобновляемых природных источников. Сезонные переходы положительных и отрицательных температур атмосферного воздуха обусловливают необходимость охлаждения и нагревания природно-технических систем. В Институте мерзлотоведения (ИМЗ) СО РАН были разработаны и испытаны аккумуляторные охлаждающие устройства и технологии [1-4]. Система охлаждения подземных сооружений в криолитозоне [4] в течение 12 лет успешно функционирует в Федеральном хранилище семян растений в г. Якутске. В данной работе излагаются разработки по использованию теплоты кристаллизации воды: технология отопления помещений [5], устройство и работа круглогодично действующего охладителя в диапазоне положительных температур [6] и способ снижения воздействия морозного пученния грунтов на свайные фундаменты и опоры сооружений [7].
Технологии использования теплоты кристаллизации воды
Отопление помещений. Технология отопления помещений теплотой кристаллизации воды [5] включает этапы аккумулирования энергии путем плавления льда в теплое время года и использования накопленной энегии при замерзании воды в холодное время года. При этом в помещении устанавливается высокая отрицательная температура, близкая к температуре
кристаллизации воды. Положительные температуры в помещении можно получить с помощью «теплового насоса». Этот вариант технологии отопления помещений теплотой кристаллизации воды в работе не рассмаривается.
Металлические емкости с пресной водой, названные водяными аккумуляторами тепла (ВАТ), устанавливаются внутри или в подвальной части помещения. Суммарное количество воды в ВАТ V подраздляется на основное Уос и вспомогательное Увс.
В г. Якутске с 2018 г. проводятся опытно-промышленные испытания гаража площадью 108 м2, отапливаемого теплотой кристаллизации воды. На рисунке 1 представлены графики изменения зимних температур воздуха в помещении (а) и наружного воздуха (б). Как видно из графиков, температура в помещении при одинаковом V зависит от температуры наружного воздуха вследствие изменения Vвс, влияющего на площадь поверхности теплообмена на границе вода-лед. При V=50 м3 и средних значениях температуры наружного воздуха в зимнее время 2019-2020 гг. минус 20,7 0 С, 2020-2021 гг - минус 23,8 0 С и 2021-2022 гг. - минус 21,2 0 С средние зимние температуры в помещении составили соответственно минус 1,9; 3,6 и 2,6 0 С. Значения объема вспомогательной воды составили: Vвс= V-Vос■
Для определения Vос, Vвс и параметров ВАТ разработана методика расчета, которая заключается в следующем. Объем воды Vос определяется из условия равенства суммарных потерь тепла из помещения в окружающую среду в течение всего холодного периода года. Исходными данными являются данные климатических условий, заданная средняя зимняя температура в помещении, параметры и термическое сопротивление ограждающих конструкций. Объем воды Vвс рассчитывается по эмпирической зависимости, полученной обработкой результатов многолетних испытаний опытного помещения.
На рисунке 1 представлены графики изменения температуры в опытном гараже t2 и температуры наружного воздуха tl при испытаниях в 2019-2022 гг в г. Якутске._
Рис. 1. Графики температур воздуха внутри (а) и снаружи (б) опытного гаража в г. Якутске при V ~ 50 м3: 1 - 2019-2020 гг: 1 = - 20,7 0 С ; t2 = - 1,9 0 С; 2 - 2020-2021 гг: 1= - 23,8 0 С; t2= -3,6 0 С; 3 - 2021-2022 гг:
tl= - 21,2 0 С, , t2 = - 2,6 0 С
а
б
Как видно из рисунка, температура в помещении, обогреваемого теплотой кристаллизации воды, значительно выше температуры наружного воздуха и изменяется в соответчтвии с ее колебаниями. Результаты пятилетних опытно-промышленных испытаний опытного объекта подтвердили возможность отопления ряда видов производственных, спортивных и вспомогательных помещений, в которых высокие отрицательные температуры являются оптимальными или допустимыми.
Круглогодичное охлаждающее устройство. Устройство предназначено для охлаждения продукции пищевой отрасли до низких положительных температур в течение всего года (рисунок 2).
В зимнее время через теплообменник, вмонтированный в холодильной камере, пропускается холодный воздух с помощью конвективной установки. В летнее время включается водяная циркуляционная система. Холодная вода из подземного котлована со льдом, намораживаемым в зимнее время холодным воздухом с помощью также конвективной установкой. Нагретая в теплообменнике вода возвращается в котлован. Электрическая энергия расходуется только для работы Рис. 2. Круглогодичное охлаждающее устройство насоса циркуляционной системы, на основе использования холодного наружного воздуха
Испытания охлаждающего устройства еще не проведены. Однако, эффективность работы устройства в зимнее время не вызывает сомнения, а высокая эффективность работы его в летнее время доказана опытно-промышленными испытаниями подобного устройства [2].
Способ снижения воздействия морозного пучения на свайные фундаменты. В настоящее время развивается малоэтажное строительство с использованием легких строительных материалов. Малонагруженные сваи и опоры сооружений подвержены выталкивающему воздействию пучения грунтов при промерзании сезонно-померзающего и сезоннооттаивающего слоев. В работе [8] предложен способ замедления процесса сезонного промерзания грунтов вокруг сваи нагреванием теплотой грунтов талой части основания. В результате этого уменьшаются касательные силы пучения и их воздействие на сваю. Передача теплоты из талой зоны в промерзающий слой осуществляется с помощью сезонно действующего охлаждающего устройства. Способ применим только в условиях сезонного промерзания, а теплопередающее устройство подвержено действию неравномерного пучения. В ИМЗ СО РАН разработан другой способ нагревания промерзающих грунтов как сезоннопромерзающего, так и сезоннооттаивающего слоя вокруг свай и опор сооружений теплотой кристаллизации воды [7] (рисунок 3).
Подземная часть сваи и опоры на всю глубину или 1 в пределах промерзающего слоя выполняется из
2 стальных труб с закрытым дном и заполняется во-
а дой. Теплота, выделяемая при кристаллизации
5 6 воды, задерживает промерзание грунта около
стенки сваи и тем самым уменьшает касательные силы пучения и их выталкивающее воздействие.
ю
Рис. 3. Теплотехническое устройство для защиты свайных фундаментов от морозного пучения
Заключение. Криоэнергетические ресурсы в криолитозоне могут найти широкое использование в различных целях. Установлена возможность разнообразного и эффективного использования теплоты кристаллизации воды с помощью простейших и надежных технологий, наносящих минимальные нарушения окружающей среды.
Литература
1. Кузьмин Г.П. Подземные сооружения в криолитозоне. - Новосибирск. Наука, 2002. -
176 с.
2. Патент на полезную модель. № 120111. Устройство для охлаждения вечномерзлых грунтов. Бюл. № 25, опубликовано 10.09.2012 г. Соавторы Чжан Р.В., Яковлев А.В.
3. Патент 2517844 Российская Федерация, МПК ^ 25Б Л0Ы Устройство теплообмена жидкостей и газов. Кузьмин Г.П., Чжан Р.В., Яковлев А.В.; заявитель и патентообладатель Учреждение РАН - Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН ^Ц). -№ 2012129380, 11.07.2012; опубл. 10.06.2014; бюл. № 16
4. Патент № 2621912 Российская Федерация, МПК «Способ охлаждения подземных сооружений в массиве многолетнемерзлых горных пород и устройство для его осуществления». Кузьмин Г.П., Панин В.Н., заявитель и патентообладатель Учреждение РАН - Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН ^Ц). 0публ.08.06.2017 г.
5. Патент № 2617579 Российская Федерация, МПК «Устройство для поддержания околонулевой температуры в закрытых помещениях» Кузьмин Г.П., заявитель и патентообладатель Учреждение РАН - Институт мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО РАН ^Ц). Опубл. 25.04.2017.
6. Патент 2785027 Российская Федерация, МПК «Круглогодичное охлаждающее устройство на основе использования холодного наружного воздуха». Кузьмин Г.П., Ку-ваев В.А., заявитель и патентообладатель ФГБУ Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН ^Ц). Опубл. 02 .12.2022.
7. Патент 2817932 Российская Федерация, МПК «Способ снижения воздействия касательных сил морозного пучения на свайные фундаменты». Кузьмин Г.П., Набережный А.Д., заявитель и патентообладатель Учреждение РАН - Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН ^Ц). Опубл.23.04.24.
8. Патент 2320821Российская федерация, МПК. «Способ замедления процесса сезонного промерзания». Остробородов С.В., Пустовойт Г.П., Хариевский О.Л. и др. Опубл. 24.03.2008.
DOI: 10.24412/^-37269-2024-1-158-161
ПРОБЛЕМЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ АРКТИЧЕСКИХ ПОЧВ ОТ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕНИЙ НА ДЕЙСТВУЮЩИХ ТЕХНОГЕННЫХ ОБЪЕКТАХ НА ПРИМЕРЕ НИЖНЕКОЛЫМСКОЙ НЕФТЕБАЗЫ
Лифшиц С.Х., Глязнецова Ю.С., Чалая О.Н., Зуева И.Н.
Институт проблем нефти и газа СО РАН, г. Якутск [email protected]
Проведены натурные эксперименты по биоремедиации нефтезагрязненных почв на Нижнеколымской нефтебазе. Показано, что в условиях действующего техногенного объекта эффект от очистки может быть нивелирован вторичными загрязнениями. Согласно коэффициенту биодеградации большую эффективность проявил сухой биопрепарат, иммобилизованный на цеолит, в сравнении с жидкой фазой. Отмечена низкая активность биологических методов очистки в арктической зоне и необходимость разработки эффективных способов очистки.
