CC BY
27
тектонический блок с размерами 1,7*2,5 км, внутри которого запроектированы два ствола.
В настоящее время с освоением геодезической спутниковой системы GPS Институтом горного дела выполнена диагностика геодинамиче-ской активности массива пород в районе промп-лощадки шахты с целью прогноза состояния устойчивости крепи существующих и проектируемых стволов. По результатам геодинамических исследований произведена оценка состояния крепи существующих и проектируемых стволов шахты.
Институтом горного дела были выполнены исследования по установлению причин разрушения подземных канализационных коллекторов и разработке мер по обеспечению их устойчивости в г. Сургуте.
В задачу исследования входило выявления причин разрушения и развития аварийных ситуаций на подземных канализационных коллекторах г. Сургута, где образовалось более 20 аварийных участков. Наряду с нарушениями технологического режима удаления сточных вод, аварии на коллекторе сопряжены с возникновением провалов на земной поверхности, которые в свою очередь, создают опасность для дорожного движения, окружающих зданий и сооружений.
Основу исследований составляли результаты геофизического зондирования массива горных пород на аварийных участках, методами электрометрии, результаты непрерывного геодезического мониторинга смещений земной поверхности методами спутниковой геодезии, а также материалы непосредственного обследования коллекторов на аварийных участках и состояния других объектов на прилегающих территориях.
Анализ результатов геодезического мониторинга за смещениями и деформациями, по одному из аварийных участков, расположенном вдоль ул. Майской г. Сургута позволил сформулировать исходные параметры смещений для оценки условий работы крепи канализационного коллектора:
Максимальные деформации крепи:
Горизонтальные: растяжение 3Д5*10'4;
Сжатие -5,6* 10-4;
Вертикальные: увеличение наклона 9,76*10-4;
Уменьшение наклона -12,1*10"4;
Приведенные результаты геодезических исследований и визуальное обследование характера разрушения крепи самого коллектора, и деформирования жилых домов на прилегающих территориях приводят к единственному и окончательному выводу, что конструкция канализационного коллектора в разломных зонах работает в условиях воздействия на него переменных динамических низкочастотных нагрузок, вызванных динамическими смещениями и деформациями. Естественно, что конструкция крепи коллектора не рассчитывалась на такие нагрузки, поскольку они на период проектирования коллектора были вообще никому неизвестны. Следовательно, изначально в этих условиях крепь коллектора была обречена на разрушение.
Выполненный комплекс исследований по устойчивости подземных сооружений в зоне тектонических нарушений позволяет сделать следующие выводы:
1. До начала проектирования и строительства подземных и наземных сооружений необходимо проведение диагностики геомеха-нической активности площади под строительство объекта. По результатам диагностики по возможности размещать данные сооружения за зоной влияния активных тектонических нарушений.
2. Расчет параметров крепи подземных сооружений, в зоне тектонических нарушений необходимо производить по специальным нормативным документам, учитывающим тектонические особенности месторождения и дополнительное воздействие геодинамических смещений и деформаций.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------
Боликов В.Е.— профессор, доктор технических наук, главный научный сотрудник, ИГД УрО РАН. Рыбак С.А. - младший научный сотрудник, ИГД УрО РАН.
УДК 624.139
Ю.А. Хохолов, Е.К. Романова
© Ю.А. Хохолов, Е.К. Романова, 2004
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ПОДЗЕМНЫХ ХОЛОДИЛЬНИКОВ КРИОЛИТОЗОНЫ
Семинар № 14
ЖЪ основу регулирования температурно-
МЛ го режима подземных холодильников должен быть положен принцип поддержания внутри холодильных камер требуемой температуры воздуха, необходимой для хранения продукта, в течение всего годового цикла эксплуатации. Для поддержания требуемой температуры хранения внутри камеры помимо специальных холодильных установок используется зимняя хладозарядка, заключающаяся в подаче вентилятором холодного атмосферного воздуха в камеру. Холодильные установки включаются только в летнее время, когда температура воздуха в камере становится выше допустимой нормы, и поддерживают в камере требуемую температуру воздуха.
Продукт (мясо, рыба) в замороженном виде заносится в камеру весной после окончания зимней хладозарядки и хранится вплоть до следующего холодного сезона.
Задача выбора оптимальных параметров температурного режима подземных холодильников относится к задачам «Теории принятия решения», являющейся ветвью более общей науки «Системный анализ». Целью поставленной задачи является поиск оптимальных технических решений по климатизации подземного холодильника:
- определение глубины заложения и размеров холодильной камеры с учетом климатических особенностей местности;
- выбор системы и режима зимней вентиляции;
- выбор системы регулирования теплового режима (холодильной установки).
Поставленную задачу решим на основе системного анализа, рассматривая подземный холодильник - как единую теплоэнергетическую систему. Декомпозиция данной теплоэнергетической системы может быть представлена пятью энергетически взаимосвязанными подсистемами:
- теплоэнергией, накопленной внутри камеры;
- теплоэнергетическим воздействием наружного климата на окружающий горный массив и непосредственно на воздух внутри камеры во время вентиляции;
- теплоэнергией, накопленной в горном массиве, вмещающем камеру;
- теплоэнергией, выработанной искусственным путем холодильными установками;
- теплоэнергией, накопленной в хранящемся продукте.
Решение задачи в соответствии с принципами системного анализа проводится поэтапно:
- построение математической модели теплообменных процессов в камере подземного холодильника;
- выбор целевой функции, т.е. определение ограничивающих условий и формулирование оптимизационной задачи - снижение затрат энергии на климатизацию в годовом цикле;
- решение поставленной оптимизационной задачи.
Задача построения математической модели заключается в описании четырех видов теплообменных процессов: теплообмен воздуха
внутри камеры с горными породами и продуктом; изменения температуры вентиляционного воздуха по длине камеры; процесс распространения тепла в горном массиве, вмещающем камеру; процесс распространения тепла в продукте. Математическая модель состоит из систем дифференциальных уравнений в частных производных с граничными условиями (уравнение теплопроводности для массива горных пород с учетом фазовых переходов влаги и уравнение теплопроводности, описывающее процесс распространения тепла в продукте) и алгебраических уравнений теплового баланса воздуха во время вентиляции и в отсутствии вентиляции. Адекватность построенной математической модели обеспечивается корректностью и строгостью постановки задачи, а также применением эффективных современных методов вычислительной математики.
102 -7і - Лі -Ъ
кВтч,
(3)
где Б - суммарная площадь поверхностей выработки и продукта, м2; а - коэффициент теплообмена воздуха с поверхностями выработки и продукта, Вт/(м2-К); Т„0в - температура на поверхности выработки и продукта, С0.
Расход электроэнергии на эксплуатацию холодильных машин рассчитывается по формуле:
1
1000 ■ цХ1
,с1т,
кВтч,
К регулируемым параметрам температурного режима подземного холодильника относятся продолжительность и интенсивность зимней вентиляции, время занесения продукта в камеры хранения, глубина заложения и размеры выработки. Оптимизационная задача заключается в выборе таких параметров, при которых в холодильной камере поддерживается необходимая нормативная температура с минимальными эксплуатационными энергозатратами:
минимизировать 7эксп(а1 ,...,а„), (1)
где а, - регулируемые параметры.
Эксплуатационные энергозатраты (7жсп) складываются из энергозатрат на зимнюю хла-дозарядку естественным холодом (7веят) и энергозатрат на выработку искусственного холода холодильными установками летом (7хол):
7 =7 +7 (2)
^эксп ^вент ^хол • )
Расход электроэнергии на вентиляцию рассчитывается по формуле [1]:
а ■ I ■ и ■ О3 -т
где тхо
(5)
продолжительность работы холо-ч; Лхоя - КПД холодильных
где а - коэффициент аэродинамического сопротивления, кг-с2/м4; I - длина выработки, м; и - периметр выработки, м; О - расход воздуха, м3/с; тееят - продолжительность работы вентилятора в течение года, час; эд; Т]ъ щ -КПД вентилятора, двигателя, передачи, соответственно.
Мощность холодильных установок (А^ш), необходимая для поддержания температуры воздуха в холодильной камере, рассчитывается по величине теплопритоков из массива горных пород через поверхность выработки и продукта [2]:
(4)
дильных машин, машин.
Решение поставленной многопараметрической оптимизационной задачи проведем с помощью генетического алгоритма, основанного на принципах теорий естественной эволюции живых организмов. Генетический алгоритм -специальная технология нового типа, предназначенная для поиска оптимальных решений в случаях, когда не применимы традиционные методы оптимизации (например, пространство поиска большое, целевая функция негладкая и неунимодальная) [3].
Разработан пакет программ, работающий в диалоговом режиме, который включает в себя рабочие (расчетные), оптимизирующие и обслуживающие программы. Приведем результаты исследований на первый год эксплуатации подземного холодильника, являющийся самым критическим. Расчеты проведены для климатических условий г. Якутска. В качестве объекта исследований принималась камера подземного холодильника шириной 6 м, высотой 4 м, длиной 50 м, предназначенная для хранения замороженного мяса. Стоимость электроэнергии равен 1.5 руб/кВт-ч. Годовой цикл начинается осенью с момента, когда температура наружного воздуха становится ниже нормативного для хранения замороженного мяса (-18 °С) - в нашем случае с 29 октября. Задача оптимиза-
Структура подземного холодильника - как единой теплоэнергетической системы
Ххол =а-£й0„ • (Т„,
), Вт,
і / 5 5
ции имеет вид:
7эксп(Б, 00вен
^Tвeн, Тпрод)
АТ0„,
(6)
ОееИ,ТееИ,
П,м о„т м3/с Т0„н АТ,ен, сутки Тпрод ^венті Руб ^холоді Руб ^ЗКСПЛЧ Руб
Год предварительного накопления холода
10,04 9,43 11.12 92 - 3403,44 - 124742,52
Первый год эксплуатации
12,36 1.12 100 13.03 8327,22 113011,86
где оптимизируемыми параметрами являются глубина заложения камеры Б (м), параметры вентиляции в год предварительного накопления холода (расход воздуха 00вен (м3/с), начальное время Т0вен, (дата), продолжительность ЛТ0вен, (сутки)), параметры вентиляции в первый год эксплуатации (расход воздуха ОееИ (м3/с), начальное время Твен (дата), продолжительность АТееИ (сутки)), время занесения продукта Т„род (дата). Результаты исследований приведены в таблице.
Проведем анализ полученных результатов расчета оптимальных параметров. Оптимальная глубина заложения подземного холодильника равна 10 м. Необходимо провести предварительное накопление холода зимой с расходом 9,43 м3/с в течение 92 суток. Вентилятор начинает работу 11 декабря. Через 3 месяца вентилятор отключают и закрывают до следующей зимы (холодильник без продукта). Расходы на предварительную хладозарядку составили 3403,4 руб. Согласно расчетам следующую зимнюю хладозарядку надо начинать
1. Кирин Б.Ф., Ушаков КЗ. Рудничная и промышленная аэрология. - М.: Недра, 1983. - 256 с.
2. Крылов Ю.С., Пирог П.И, Васютович В.В., Карпов А.В., Дементьев А.И Проектирование холодильников. - М.: Пищевая промышленность, 1972. - 310 с.
с 1 декабря при расходе воздуха 12,36 м3/с. Через 100 суток, т.е. 13 марта прекращают подачу атмосферного холодного воздуха и заносится замороженный продукт для хранения. При этом затраты на зимнюю вентиляцию составили 8327,22 руб., а затраты на выработку искусственного холода летом для поддержания необходимой температуры в камере с продуктом равны 113011,86 руб. Общие затраты (с учетом предварительной хладозарядки) составили
124742,52 руб., что на 40 % ниже затрат на хранение этого продукта в рефрижераторах.
В силу того, что в массиве горных пород вокруг камеры идет прогрессивное накопление холода, при эксплуатации подземного холодильника затраты на выработку искусственного холода летом с каждым годом снижаются.
Таким образом, оптимизация параметров температурного режима подземного холодильника позволяет существенно сократить эксплуатационные затраты на летнее хранение замороженного продукта.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Хэзфилд Р., Кирби Л. и др. Искусство программирования на С. Фундаментальные алгоритмы, структуры данных и примеры приложений. - Киев: ДиаСофт, 2001. - 736 с.
— Коротко об авторах --------------------------------------------
Хохолов Юрий Аркадьевич - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник, Романова Елена Константиновна - мл. научный сотрудник,
ИГДС им. Н.В.Черского СО РАН.
Ъ---------
-------------------- © П.В. Деев, 2004
УДК 622.28 П.В. Деев
