Введение

Актуальность. В зоне распространения многолетней (вечной) мерзлоты особенно актуальной является проблема эффективного применения естественного холода [1, 2]. В условиях Севера подземные холодильники являются одним из самых древних сооружений и используются для хранения замороженных продуктов. В них для обеспечения устойчивого холода используются два известных метода: зимняя хладозарядка и зимняя хладозарядка с выработкой искусственного холода, что является обязательным условием для промышленных холодильников [3].

Для индивидуальных подземных холодильников в условиях вечной мерзлоты, так называемых “булуус”, бывает достаточным только первый метод. Но как показывает практика их эксплуатации, со временем наблюдается повышение температуры в мерзлых грунтах и бывают случаи преждевременного оттаивания продуктов и льда для пресной воды в летний период.

Идея (гипотеза) работы: Эффективность работы подземного холодильника можно повысить повышением его теплоаккумулирующей способности и тепловой защиты.

Цель работы: Изучение и совершенствование способов защиты подземного холодильника в условиях вечной мерзлоты от преждевременного оттаивания .

Задачи исследования:

1. Провести анализ достижений в области практического применения естественного холода вечной мерзлоты.

2. Изучить способы повышения эффективности работы подземного холодильника.

3. Изучить скорость таяния чистого льда, мерзлого грунта и ледяных композитов.

4. Изучить эффективность применения тепловой защиты на модели подземного холодильника.

Объект исследования: Энергия “вечной мерзлоты”.

Предмет исследования: Булуус - индивидуальный подземный холодильник в условиях вечной мерзлоты.

Методика исследования: В процессе выполнения исследовательской работы провел анализ научно-технической информации по практическому использованию энергии “вечной мерзлоты” в жизнедеятельности человека, вел натурное наблюдение за тепловым режимом работы и техническим состоянием семейного подземного холодильника - булуус, пользуясь знаниями по физике расчетно-экспериментальным методом установил удельную теплоту плавления льда от пресной воды и оценил теплоту его оттаивания. Экспериментальные работы провел с использованием приборов и принадлежностей кабинета физики.

Исследовательский проект посвящен изучению и совершенствованию способов защиты подземного холодильника в условиях вечной мерзлоты от преждевременного оттаивания с использованием законов физики, лабораторных опытов и натурного обследования.

Опыт № 1. Определение удельной теплоты плавления льда.

Оборудование: калориметр, термометр, измерительный цилиндр, сосуд с тёплой водой.

Содержание и метод выполнения работы:

Удельную теплоту плавления льда можно определить калориметрическим способом. Для этого в калориметр с тёплой водой погружают кусочки льда. Согласно уравнению теплового баланса Qотд = Qполуч. В процессе теплообмена отдаёт теплоту горячая вода: Qотд = свmв(tв – tкон), где св = 4200 Дж/кг°С, mв – масса воды, tв – начальная температура воды, tкон – конечная температура воды.

Лёд и образовавшаяся из него талая вода получают теплоту, при этом лёд плавится, а талая вода нагревается: Qполуч = Qпл + Qтв = λmл + свmл(tл – tкон), где λ – удельная теплота плавления льда, mл – масса льда (талой воды), tл = 0°С – начальная температура льда.

Подставим формулы в уравнение теплового баланса:

λmл + свmл(tл – tкон) = свmв(tв – tкон), откуда

Ход работы:

Во внутренний сосуд калориметра налить 150 см3 тёплой воды.

1. Измерить начальную температуру воды tв.

2. Взять небольшой кусочек льда и опустить его в воду. Когда весь лёд расплавится, отметить самую низкую установившуюся температуру tкон.

3. Определить массу льда, измерив объем талой воды.

4. Используя данные опыта, составить уравнение теплового баланса и определить удельную теплоту плавления льда.

5. Сравнить полученный результат с табличным, и вычислите абсолютную погрешность измерений по формуле ∆λ = |λ – λтабл|

6. Вычислить относительную погрешность измерений ????= ∆????/????табл

7. Результаты измерений и вычислений записать в таблицу.

1) Лед 100%

Таблица 1 – Расчетные показатели льда

Вывод. Вода, обладая очень высокой теплоемкостью в 4200 Дж/(кг×К) требует максимальных затрат теплоты для повышения ее температуры на 1 градус. Это свойство льда способствует поддержанию отрицательной температуры в булуусе летом.

Опыт № 2. Изучение эффективности применения тепловой защиты на модели подземного холодильника.

В этом эксперименте выяснил эффекты повышения теплоаккумулирующей способности чистого льда и ледовых композитов с разными добавками (песок, древесные опилки) и влияния теплоизоляции на время их оттаивания.

Первый стакан объемом 500 мл заполнил чистой водой. Два стакана заполнил густой смесью песка и опилок с водой.

Изготовил модель подземного холодильника из фанеры толщиной 9 мм размерами 30х30х20 см в масштабе 1:10 и теплоизолировал листом фольгоизола толщиной 10 мм. Образцы заморозил и поместил во внутрь модели подземного холодильника. Для наблюдения за температурой исследуемых образцов использовал термометры, установленные в сосуды через верхние отверстия (рис. 1).

Рисунок 1 - Модель подземного холодильника - булуус

Полученные результаты внесены в табл. 2.

Таблица 2 - Время оттаивания льда и ледяных композитов

Выводы:

1) Время оттаивания льда зависит от количества воды в исследуемых образцах;

2) При использовании теплоизоляции время оттаивания чистого льда и ледяных композитов увеличилось в более чем 2 раза, что показывает эффективность использования теплоизоляции в конструкции подземного холодильника.

Опыт № 3. Натурные обследования температуры и технического состояния подземного холодильника.

Для натурного наблюдения за температурой воздуха и мерзлого грунта в булуусе (рис. 2) термометры устанавливали (рис. 3): 1 - на доски пола, 2 - в отверстиях, проделанных в мерзлом грунте. Одновременно контролировалась температура воздуха на улице.

Рисунок 2 - Вид булууса: слева - вход, справа - хранение льда

Рисунок 3 - Точки замера температуры

Полученные данные за первый год исследования приведены в табл. 3, за второй год исследований - в табл. 4.

Таблица 3 - Показатели температуры булууса в 2023 г.

Таблица 4 - Показатели температуры булууса в 2024-2025 гг.

Рисунок 4 - Снимки в булуусе: слева - под полом талая вода со льдом, справа - появление плесени в стенах от 25 сентября 2024 г.

Как видно из рис. 4, к концу летнего периода внутри булууса устанавливается температурно-влажностный режим, характеризующийся температурой воздуха и грунта около стены ± 1ºС, появлением талой воды под полом из досок, конденсата и грибков на стене из древесины.

Вывод: 1) При естественной хладозарядке температура воздуха в булуусе и мерзлого грунта изменяется медленно за счет большой теплоемкости (теплоаккумулирующей способности) мерзлого грунта и отсутствия сквозной вентиляции воздуха.

Заключение

Результаты лабораторных и натурных исследований температурного режима подземного холодильника "Булуус" подтвердили рабочую гипотезу:

- В результате проведения натурных обследований булууса установил, что мерзлые грунты держат "тепло вечной мерзлоты". Поэтому при открытой двери в зимнее время с поступлением холодного воздуха в начальное время температура в булуусе была выше, чем на улице. Для эффективного охлаждения булууса и мрезло-талого грунта необходимо использовать вентилятор подачи холодного воздуха в зимний период;

- При использовании теплоизоляции с увеличением ее толщины время таяния чистого льда и ледяных композитов увеличилась в более чем 2 раза, мерзлого грунта 3 раза, что показывает эффективность использования теплоизоляции в конструкции подземного холодильника для сохранения естественного холода.