Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из путей решения важной экологической проблемы сохранения естественного ландшафта, является заранее планируемое и экономически обоснованное размещение под землей промышленных, транспортных, складских, культурных и других объектов. В этом случае значительно сокращаются размеры земельного отвода и улучшаются объемно-планировочные решения при наземном строительстве, а также повышается защищенность объектов, расположенных в горных выработках от внешних воздействий при одновременном снижении энергозатрат (на 20-30%) на обеспечение в них требуемых параметров микроклимата.
За последние 10-20 лет объемы использования подземного пространства у нас в стране возросли в среднем на 25-30%. В отработанных и специально пройденных горных выработках располагаются холодильники, склады различного назначения, производства по выпуску промышленной и сельскохозяйственной продукции. Только в Российской Федерации успешно функционирует 7 метрополитенов (Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Самара, Челябинск, Екатеринбург, Новосибирск). Суммарная длина железнодорожных тоннелей только на одной Байкало-Амурской железнодорожной магистрали составляет около 35 км. Длина некоторых из этих тоннелей достигает 7 км (Байкальский тоннель) и 15 км (Северо-Муйский тоннель). На других железных дорогах (Красноярской, Восточно-Сибирской, Забайкальской, Дальневосточной и др.) суммарная протяженность тоннелей составляет 10-20 км. В подземном пространстве (полостях выработок, водоносных пластах и т.п.) осуществляется хранение органических энергоносителей и аккумулирование тепловой энергии.
Безопасная и эффективная эксплуатация подземных сооружений (ПС) определяется возможностью создания в них необходимых тепловых условий. Это, в первую очередь, связано с обеспечением в подземных объектах санитарно-гигиенических норм, предусматривающих отсутствие необратимых физиологических сдвигов в организме людей, чья деятельность связана с работой, обслуживанием или пребыванием в ПС, а также технологических требований как предотвращающих возникновение аварийных ситуаций, угрожающих здоровью и жизни людей, так и направленных на создание рационального произ-
водственного режима по получению, транспортировке или хранению продукции. К таким требованиям, например, относится предотвращение процесса наледеобразования и разрушения бетонной крепи в транспортных тоннелях или воздухопо-дающих стволах метрополитенов.
Выбор параметров систем управления тепловыми режимами ПС базируется на анализе процессов тепломассопереноса в подвижной системе «флюид — горный массив». Закономерности протекания этих процессов отличаются от аналогичных в наземных сооружениях и в горных выработках шахт и рудников. В первом случае это отличие обусловлено существенной нестационарностью теплообмена с практически неограниченным горным массивом, а во втором - связано с влиянием переменных аэротермодинамических (гидродинамических) параметров воздушного потока (воды), характеризующих условия формирования естественного теплового режима или определяющих выполнение заданных технологических требований.
Научно-обоснованный выбор способов управления тепловым режимом подземных сооружений, позволяющий не только обеспечить безопасный и эффективный режим их эксплуатации, но и приводящий к снижению энергетических, материальных и трудовых затрат на создание необходимых параметров микроклимата в условиях нарастающего дефицита всех видов ресурсов, является актуальной проблемой.
Цель работы - разработка научных основ прогноза и выбора параметров систем управления тепловым режимом, обеспечивающим безопасную и эффективную эксплуатацию подземных объектов глубокого заложения.
Идея работы состоит в использовании установленных закономерностей динамики процессов тепломассопереноса при выборе способов регулирования теплового режима подземных сооружений глубокого заложения и определении их рациональных параметров, обеспечивающих экономию энергетических, материальных и трудовых ресурсов.
Основные задачи работы заключаются в: - исследовании условий формирования и определении основных факторов, определяющих тепловой режим подземных сооружений производственно-складского, теплоакумулирую-щего и транспортного назначения;
изучении процессов тепломассопереноса в системе движущийся флюид — горный массив при сложных законах изменения начальной температуры флюида, реальных геометрических формах выработок и их пространственном расположении, анизотропии теплофизических свойств пород, а также при наличии энергетических источником теплоты, имеющих размеры, соизмеримые с размерами выработок и мощность, зависящую от времени и пространственных координат;
разработке методов термовлажностных расчетов подземных сооружений производственно-складского, теплоакку-мулирующего и транспортного назначения и выбора рациональных способов управления их тепловым режимом, обеспечивающим экономию энергетических и материальных ресурсов;
определении условий развития процессов наледеобразования в железнодорожных тоннелях, расположенных в районах с суровым климатом и разработке эффективных технических решений по тепловой защите их конструктивных элементов от обмерзания;
определении рациональных областей применения различных способов управления тепловым режимом железнодорожных тоннелей, расположенных в районах с суровым климатом;
обосновании принципов создания энергосберегающих способов регулирования теплового режима подземных сооружений, основанных на использовании природных источников энергии. Разработке и экспериментальной проверке методик выбора параметров каждого из элементов предлагаемых способов.
Основные защищаемые положения.
1. Основными факторами, определяющими особенности
формирования и регулирования теплового режима подземных
сооружений глубокого заложения, в отличие от шахт и руд
ников, являются сложные временные и пространственные за
коны изменения аэротермодинамических (гидродинамических)
параметров воздушного (водного) потока, а также нестационар
ный характер поступления теплоты от транспортных средств и
теплотехнического оборудования.
2. Выбор математических моделей для расчета процессов теп
ломассопереноса в системе «движущийся флюид — горный мае-
сив» должен осуществляться с учетом динамики термодинамических параметров этой системы в различные временные стадии.
-
Сложные временные законы изменения начальных термодинамических параметров воздушного (водного) потока, а также поступления теплоты от энергетических источников при расчете теплового режима подземных сооружений могут быть учтены с помощью аппарата ступенчатых и импульсных функций.
-
Выбор способа и параметров системы управления тепловым режимом железнодорожных тоннелей, расположенных в районах с суровым климатом, зависит от их длины, степени обводненности, расхода воздуха и определяется величиной энергетических затрат на поддержание условий, обеспечивающих отсутствие наледеобразования и долговечность тоннельных конструкций.
-
Переход к новому поколению энергосберегающих систем регулирования теплового режима подземных сооружений связан с замещением традиционных энергоресурсов природными источниками теплоты и холода (солнечное излучение, геотермальная энергия, атмосферный воздух) при условии осуществления промежуточного аккумулирования энергии.
Научная новизна результатов работы заключается в том, что:
теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность создания в протяженных железнодорожных тоннелях, расположенных в суровых климатических условиях, при отрицательной температуре наружного воздуха положительного теплового режима на основе использования компенсационного принципа регулирования.
выявлены закономерности формирования термовлажност-ных условий в железнодорожных тоннелях, эксплуатируемых как при естественном тепловом режиме, так и при подогреве воздуха зимой до положительной температуры, заключающиеся для первого случая в образовании по длине среднеинтегрального параболического профиля температурного распределения с максимальным значением зимой и минимальным летом в сечении, расположенном ближе к порталу с исходящей вентиляционной струей, вокруг которого происходят пульсации температуры, и для
второго случая - в выравнивании температурного профиля
по длине тоннеля. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается применением современных методов теоретических исследований и всей совокупностью данных лабораторных и натурных экспериментов, сопоставимостью результатов аналитических решений с физическими (лабораторными) и натурными экспериментами и положительными результатами многолетней реализации предложенных технических решений на сланцевых шахтах и железнодорожных тоннелях, расположенных в районах с суровым климатом.
Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий обобщение и научный анализ данных литературных и патентных источников по методам расчета и способам нормализации теплового режима подземных сооружений производственно-складского, теплоаккумулирующего и транспортного назначения, аналитические исследования, лабораторные и натурные эксперименты, опытные и опытно-промышленные испытания способов и средств обеспечения необходимых климатических условий.
Практическая значимость работы заключается в:
разработке методик тепловых расчетов подземных сооружений глубокого заложения производственно-складского, теплоаккумулирующего и транспортного назначения при их строительстве и эксплуатации;
обосновании методических основ выбора способов регулирования теплового режима подземных объектов и определении их рациональных параметров, обеспечивающих минимальный уровень энергозатрат;
создании новых способов и технических средств для управления тепловым режимом подземных объектов;
разработке рекомендаций по управлению тепловым режимом железнодорожных тоннелей, расположенных в районах с суровым климатом;
разработке методик выбора параметров систем регулирования теплового режима подземных сооружений, использующей природные источники энергии;
- обосновании принципов комплексного использования минеральных, пространственных и природных энергетических ресурсов для ускоренного освоения подземного пространства. Диссертационная работа является обобщением НИР, выполненных в период 1979-1996 гг. непосредственно автором или при его научном руководстве. Исследования проводились в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете) по целевым комплексным программам Государственного комитета по науке и технике, Госстроя и Академии наук. № гос. регистрации 01826067834, 01870001012, отраслевым научно-исследовательским программам Министерства транспортного строительства, № гос. регистрации 79052025, 81088540, 01830015787.
Реализация работы: Результаты работы использованы при составлении нормативных документов, справочных руководств и пособий («Единая методика прогнозирования температурных условий в угольных шахтах), Макеевка-Донбасс», 1979; «Рекомендации по проектированию дренажных и водоотводных устройств и регулированию теплового режима тоннелей», Москва, 1983; «Теплофизические расчеты объектов народного хозяйства, размещаемых в горных выработках», Москва, 1989; «Пособие по расчету устойчивости подземных горных выработок при размещении в них объектов народного хозяйства», Москва, 1990; «Методика выбора параметров теплоаккумулирующих выработок сланцевых шахт», Ленинград, 1990.
На основании проведенных исследований разработаны и внедрены в проектные и производственные работы рекомендации по управлению вентиляционным и тепловым режимами Байкальского, Северо-Муйского, Кадарского, Дуссе-Алиньского тоннеля Байкало-Амурской железнодорожной магистрали, Нанхчульского тоннеля Красноярской железной дороги, Новороссийского тоннеля Северокавказской железной дороги, Медногорского тоннеля Южно-Уральской железной дороги, а также метрополитена в г.Гавана (Республика Куба). Методики тепловых расчетов и рекомендации по выбору параметров подземных аккумуляторов теплоты использованы институтом ЦНИИПРОМЗДА-НИЙ при разработке энергосберегающих систем кондиционирования воздуха подземных сооружений производственно-складского назначения.
Рекомендации, предусматривающие применение при регулировании теплового режима подземного комплекса по выращиванию шампиньонов, сооружаемого в Мало-Милешской шахте пильного известняка, теплоаккумулирующих выработок, внедрены в институте Молдагропромпроект.
Впервые в практике эксплуатации железнодорожных тоннелей на Байкальском тоннеле внедрен способ регулирования теплового режима, основанный на подогреве воздуха до положительных температур.
Основные научные положения и практические рекомендации используются при чтении курсов «Аэрология горных предприятий», «Термодинамика» и «Безопасность жизнедеятельности», при выполнении курсовых и дипломных проектов в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете).
Личный вклад автора:
основная идея работы, постановка задач исследований, разработка методологии их решения, научно-методическое руководство исследованиями, результаты которых приведены в диссертационной работе;
обобщение данных экспериментальных и натурных исследований по вентиляционному и тепловому режимам подземных сооружений и формулировка основных закономерностей динамики процессов тепломассопереноса;
обоснование физических и математических моделей процессов тепломассопереноса в системе движущийся флюид — горный массив, разработка инженерных методов расчета теплового режима и выбора параметров систем его регулирования для подземных сооружений производственно-складского, теплоаккумулирующего, транспортного назначения;
разработки рекомендаций по нормализации теплового режима железнодорожных тоннелей, расположенных в суровых климатических условиях.
Автор выражает глубокую признательность Заслуженному деятелю науки и техники Российской Федерации, акад. АЕН РФ, профессору, доктору технических наук Ю.Д.Дядькину, акад. АЕН РФ и ГА, профессору, доктору технических наук Ю.В.Шувалову за постоянную методическую помощь и поддержку, которые оказывались автору в
ходе выполнения работы, а также всем сотрудникам Проблемной научно-исследовательской лаборатории горной теплофизики Санкт-Петербургского горного института и кафедры Рудничной вентиляции и охраны труда, института Ленметрогипротранс, Северобайкальской дистанции пути по обслуживанию тоннелей, в той или иной мере оказывавшим содействие в организации и проведении лабораторных и натурных исследований.
Апробация работы: основные результаты исследований докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме «Тепловой режим глубоких угольных шахт и металлических рудников», Киев, 1977; Международной конференции научно-исследовательских институтов по безопасности работы в горной промышленности, Донецк, 1991; Международного симпозиума по проблемам прикладной геологии, горной науки и производства, Санкт-Петербург, 1993; Третьего международного симпозиума «Горное дело в Арктике», Санкт-Петербург, 1994; Международной конференции «Научно-практические аспекты управления качеством воздуха. Воздух-95», Санкт-Петербург, 1995; 1-ой международной конференции «Экология и развитие Северо-Западного региона РФ», Санкт-Петербург, 1995; Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы горной теплофизики», Ленинград, 1973 (I) и 1981 (II); Всесоюзной конференции «Физико-технические проблемы управления воздухообменом в горных выработках больших объемов», Кохтла-Ярве, 1979; Всесоюзном научно-техническом симпозиуме «Физико-технические проблемы управления воздухообменом в горных выработках больших объемов», Кохтла-Ярве, 1983; Всесоюзном совещании «Аккумулирование энергии и пути повышения эффективности работы электростанции и экономии энергии», Москва, 1985; IX Всесоюзной конференции по механике горных пород, Фрунзе, 1989; IV Всероссийской научно-методической конференции «Безопасность жизнедеятельности человека», Новочеркасск, 1994; всех семинарах Национального бюро по горной теплофизике, начиная с 1977 года, научных семинарах Проблемной научно-исследовательской лаборатории горной теплофизики Санкт-Петербургского горного института.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 50 печатной работе (в т.ч. трех статьях на английском
языке в журнале Heat Transfer, изд. «Pergamon Press», трудах Stanford University, трех монографиях, пяти справочных руководствах и методиках) и подтверждены 24 авторскими свидетельствами на изобретения.
Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложена на 389 страницах машинописного текста, содержит 94 рисунка, 8 таблиц, список литературы из 316 наименований и 6 приложений.
