Исследование процессов теплообмена излучением в тепловом коллекторе двойного действия для предприятий горнодобывающей промышленности

Одной из проблем предприятий горнодобывающей промышленности (например, рудодобывающих шахт) является их удаленность от централизованных источников энергии, обеспечивающих нужды в горячем водоснабжении, отоплении, охлаждении и кондиционировании. Целью исследования является разработка теплового коллектора двойного действия для обеспечения нужд в тепловой и низкопотенциальной энергии рудодобывающих шахт. Разработанная модель теплового коллектора двойного действия с нанесенным на его поверхность специальным высокоселективным покрытием показала свою эффективность как при дневном нагреве, так и при ночном охлаждении ниже температуры окружающей среды. В результате экспериментальных и численно-аналитических исследований с учетом нужд в тепловой и низкопотенциальной энергии горнодобывающих предприятий была отмечена прямая зависимость эффективности нагрева и охлаждения от количества слоев вещества, нанесенных на поверхность, а также от концентрации активного вещества в растворе, наносимом на теплообменный аппарат. Полученные зависимости стали основой для проектирования энергоэффективных инженерных систем на основе возобновляемых источников энергии для горнодобывающей отрасли. Представлены результаты расчета необходимой площади теплового коллектора двойного действия для обеспечения отопления, кондиционирования и охлаждения шахтного воздуха для рудника, расположенного в Хабаровском крае.

Шеин В. М., Сулин А. Б., Никитин А. А., Кривошеев В. Е., Муравейников С. С. Исследование процессов теплообмена излучением в тепловом коллекторе двойного действия для предприятий горнодобывающей промышленности // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 7-1. – С. 176–192. DOI: 10.25018/ 0236_1493_2024_71_0_176.

Шеин Владислав Максимович¹ — аспирант, ассистент, e-mail: vmshein@itmo.ru, ORCID ID: 0000-0002-0777-651X,
Сулин Александр Борисович¹ — д-р техн. наук, профессор, e-mail: miconta@rambler.ru, ORCID ID: 0000-0002-4580-6070,
Никитин Андрей Алексеевич¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: andyquest@mail.ru, ORCID ID: 0000-0002-0084-7282,
Кривошеев Владимир Евгеньевич — канд. техн. наук, доцент, Самарский государственный технический университет, e-mail: krvdm@yandex.com, ORCID ID: 0000-0003-2365-1861,
Муравейников Сергей Сергеевич¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: mur_618@mail.ru, ORCID ID: 0000-0001-7295-5904,
¹ Университет ИТМО.

Шеин В.М. e-mail: vmshein@itmo.ru.

1. Muraveinikov S. S., Sulin A. B., Baranov I. V., Nikitin A. A. Average annual efficiency evaluation in the design of life support systems // AIP Conference Proceedings. 2019, vol. 2141, no. 1, article 030019. DOI: 10.1063/1.5122069.

2. Ryabova T. V., Sulin A. B., Nikitin A. A., Emelyanov A. L., Bordashev K. A. Equivalent parameters of thermal comfort of the room // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019, vol. 656, no. 1, article 012045. DOI: 10.1088/1757-899X/656/1/012045.

3. Казаков Б. П. Разработка энергосберегающих технологий обеспечения комфортных микроклиматических условий при ведении горных работ // Записки Горного института. — 2017. — Т. 223. — С. 116—124.

4. Камара С., Сулин А. Б. Аналитический обзор пассивных радиационных систем охлаждения // Вестник Международной академии холода. — 2020. — № 2. — С. 37—44.

5. Кривошеев В. Е., Шеин В. М., Никитин А. А. Исследование величины угловых коэффициентов и определение оптимальных значений расположения излучателя в системе излучатель-стена // Вестник Международной академии холода. — 2023. — № 3. — С. 13—19. — DOI: 10.17586/1606-4313-2023-22-3-13-19.

6. Bao H., Yan Ch., Wang B. Double-layer nanoparticle-based coatings for efficient terrestrial radiative cooling // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2017, vol. 168, pp. 78—84. DOI: 10.1016/j. solmat.2017.04.020.

7. Wu J. Y., Gong Y. Z., Huang P. R., Ma G. J., Dai Q. F. Diurnal cooling for continuous thermal sources under direct subtropical sunlight produced by quasi-Cantor structure Diurnal cooling for continuous thermal sources under direct subtropical sunlight produced by quasi-Cantor structure // Chinese Physics B. 2017, vol. 26, article 104201.

8. Dao T. D., Doan A. T., Ngo D. H., Chen K., Ishii S., Tamanai A., Nagao T. Selective thermal emitters with infrared plasmonic indium tin oxide working in the atmosphere // Optical Materials Express. 2019, vol. 9, no. 6, pp. 2534—2544. DOI: 10.1364/OME.9.002534.

9. Cunha N. F., Al-Rjoub A., Rebouta L., Vieira L. G., Lanceros-Mendez S. Multilayer passive radiative selective cooling coating based on Al/SiO2 / SiNx/SiO2 /TiO2 /SiO2 prepared by dc magnetron sputtering // Thin Solid Films. 2020, vol. 694, article 137736.

10. Дженблат Силвана Энергоэффективность систем кондиционирования воздуха помещений на базе радиационного охлаждения: Автореф. дис. канд. техн. наук. — СПб., 2022. — 49 с.

11. Bathgate S. N., Bosi S. G. A robust convection cover material for selective radiative cooling applications // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2011, vol. 95, no. 10, pp. 2778—2785.

12. Magaji M., Sa’adiya Ilyasu M. Analysing the performance of passive cooling system in Buildings: designing natural solution to summer cooling loads and Architectural Interventions // American Journal of Engineering Research (AJER). 2017, vol. 6, no. 10.

13. Лапшин А. А. Использование шахтных вод для форсуночного охлаждения рудничного воздуха // Горный вестник. — 2015. — № 5. — С. 206—211.

14. Дударь Е. С. Исследование процессов тепломассопереноса в калийных рудниках и конденсации влаги в шахтной вентиляционной сети: Автореф. дис. канд. техн. наук. — Тула, 2015. — 22 с.

15. Казаков Б. П. Оптимизация компоновки теплообменных модулей в системах кондиционирования рудничного воздуха // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. — 2015. — № 7. — С. 116—126.

16. Алабьев В. Р. Основные направления развития способов и средств охлаждения воздуха в угольных шахтах Донбасса // Вестник Забайкальского государственного университета. — 2014. — № 6. — С. 35—46.

17. Mackay L., Bluhm S., Van Rensburg J. Refrigeration and cooling concepts for ultradeep platinum mining / The 4th International Platinum Conference, Platinum in transition «Boom or Bust», The Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 2020, pp. 391—398.

18. Funnel R. C., Bluhm S. J. Sheer T. J. Optimization of cooling resources in deep stopes / Proceedings of the 7th International Mine Ventilation Congress. Poland, 2016, pp. 391—398.

19. Зайцев А. В. Научные основы расчета и управления тепловым режимом подземных рудников. Автореф. дис. доктора технических наук. — Пермь, 2019. — 44 с.

20. Цой А. П., Бараненко А. В., Грановский А. С., Цой Д. А., Корецкий Д. А., Джамашева Р. А. Компьютерное моделирование годового цикла работы комбинированной системы хладоснабжения с использованием ночного радиационного охлаждения // Омский научный вестник. Серия «Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение». — 2020. — Т. 4. — № 3. — С. 28—37.

21. Zeyghami M., Goswami D. Y., Stefanakos E. A review of clear sky radiative cooling developments and applications in renewable power systems and passive building cooling // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2018, vol. 178, pp. 115—128. DOI: 10.1016/j.solmat.2018.01.015.

22. Казаков Б. П. Оптимизация компоновки теплообменных модулей в системах кондиционирования рудничного воздуха // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. — 2015. — № 7. — С. 116—126.

23. Бойко В. А., Бойко О. А. Разработка способа и средств формирования теплозащитной оболочки горных выработок глубокой шахты и оценка влияния ее параметров на теплоприток из горного массива / Материалы международной конференции «Форум горняков 2019». — Днепропетровск: РВК НГУ, 2019. — С. 57—73.