5401

граничные условия на стыках различных слоев изоляции

граничные условия на стыке поверхности изоляции с грунтом

граничные условия на поверхности грунта (Г1) заданы температурой атмосферного воздуха и законом теплообмена между поверхностью грунта и атмосферой:

где Тн — температура наружного воздуха, К; ан— коэффициент теплоотдачи к наружному воздуху, Вт/(м2 К); λCH — теплопроводность снега, Вт/(м К); λrp — теплопроводность грунта, Вт/(м К);hс н — высота снежного покрова, м.

граничные условия ( Г2 ) и ( Г3 )

граничные условия (Г4 )

где λт , λM — теплопроводность талой и мерзлой зон грунта, Вт/(м К); q0 — скрытая теплота плавления льда, Дж/кг рск — плотность скелета грунта, кг/м3; ξ — координата контура раздела зон, м; n — нормаль к поверхности раздела талой и мерзлой зон; S — поверхность раздела талой и мерзлой зон, м2; Wc —

суммарная влажность грунта, доли единиц; WH — количество незамерзающей влаги, доли единиц. Теплофизические характеристики грунта задавались согласно условиям задачи.

Начальные условия, т.е. распределение естественных темпе-

состоит в том, что она относится к классу нелинейных задач при неоднородных теплофизических свойствах грунта. Для решения поставленной задачи использовалась методика вычислительного эксперимента. Задача была аппроксимирована методом конечных разностей по стандартной методике. Решение системы разностных уравнений на каждом временном шаге проводилось про- дольно-поперечным методом. Вдоль строк и столбцов применялся метод прогонки с итерациями.

При обобщении результатов вычислительного эксперимента автором использован метод обобщенных переменных, что позволило сократить число определяющих параметров сведением их в безразмерные комплексы. Для этого уравнения (I)-(12) приведены к безразмерному виду. Автором были получены следующие функциональные зависимости:

(13)

рий Био; hт- заглубление теплопровода, м; Сгр — теплоемкость грунта, кДж/(м3К); θ = T0 /Тест — обобщенная температура; Тест — темпе-

ратура грунта в естественных условиях на глубине оси трубопровода,К; T0 — температура теплоносителя в трубопроводе, К.

В результате обработки численных данных автором получены следующие полуэмпирические уравнения для определения глубины протаивания грунта под трубопроводом во времени:

Коэффициенты N и n являются функциями от Bi, Ко и θ. Для их определения автором получены следующие зависимости:

n=0,07.l,4-Bi.

Изменения критериев определены с учетом теплофизических свойств вечномерзлых грунтов в достаточно широком диапазоне:

20<θ<100; 1,4<Ко<12; 0<Fo<6280; 0,1<Вi<4,1. (17)

Предложенная методика расчета позволяет проектировщикам и строителям прогнозировать температурный режим грунта и принимать правильные решения при строительстве и эксплуатации инженерных систем на севере Тюменской области. При изучении температурного режима грунта в зависимости от времени автором установлено, что наиболее интенсивное изменение происходит в начальный период эксплуатации теплопровода при τ = О - 4 лет. Затем с течением времени этот процесс замедляется, и при достаточно длительном периоде эксплуатации при τ>20 лет (F0 ->беск) в системе «теплопровод — грунт — атмосфера» устанавливается динамическое тепловое равновесие (рис.За). Выявлено, что повышение температуры теплоносителя в трубопроводе, а также мощности снежного покрова hc = О - 0,32 м вызывает увеличение талой зоны грунта (рис. 36, Зв).

В третьей главе рассматривается методика теплового расчета наземного водовода с ППУ-изоляцией для севера Тюменской области. При проектировании водопроводных сетей незамерзаемость воды в трубопроводах можно обеспечить двумя способами: подогревом воды в местах подачи ее в трубопроводы или в промежуточных пунктах; применением тепловой изоляции трубопровода.

С целью исключения теплового воздействия водоводов на вечномерзлые грунты автор предлагает осуществлять наземную

прокладку на низких опорах.

При наличии пучинистых грунтов можно применять так называемые «пульсирующие опоры», представляющие собой железобетонные подушки, укладываемые на подсыпку в виде усеченных пирамид из непучинистого грунта. В зависимости от условий

эксплуатации водовода и его диаметра возможны два расчетных случая: первый — на внутренних стенках трубы не допускается

образование ледяной корки, второй — на внутренних стенках трубы допускается образование ледяной корки. Если образование ледяной корки на внутренних стенках трубы не допускается, то методом расчета, при заданной начальной температуре воды, необходимо определить либо конечную температуру воды tκ, либо толщину теплоизоляции диз.

Рис. 3 График изменения величины протаивания грунта в зависимости:

ξ π , M

б) от критерия Косовича при hсн=0,32м;

ξ π , M

в) от времени при различной hсн

В работе, используя методику вычислительного эксперимента, автор исследовал понижение температуры воды в водоводе для различных вариантов, а также провел исследование темпе-

ратурного поля в слое ППУ-изоляции водовода, проложенного наземным способом в северных условиях (рис. 4).

Рис. 4 Схема водовода при наземной прокладке

Для расчета остывания воды в водоводе автор использовал известное уравнение:

где tнач, tκoн — соответственно начальная и конечная температура воды в водоводе, 0C; tBH — температура наружного воздуха, 0C; k1 — линейный коэффициент теплопередачи , Вт/(м К); G — массовый расход воды, кг/с; ср — массовая теплоемкость воды, Дж/(кг К); dH, L — соответственно наружный диаметр и длина водовода, м.

При расчете по формуле (18) возникает вопрос, какое значение брать для tВН. Температуру воздуха можно принимать как среднюю за наиболее холодную пятидневку или наиболее холодных суток из СНиП 2.01.01 — 82 — «Строительная климатология и геофизика». В СНиП 2.04.02 — 84 — «Водоснабжение, наружные сети и сооружения» по этому вопросу нет рекомендаций, а говорится , что tκ должна быть не менее 50C при диаметре водовода до 300 мм и не менее 30C при диаметре свыше 300 мм. Кроме этого, приводится расчетное время ликвидации аварии на водоводе при диаметре до 400 мм — 8 час.; от 400 до 1000 мм — 12 час.; свыше 1000 мм — 18 час.

На основании обобщения результатов вычислительного эксперимента и проверки на опытном водоводе в районе г. Салехарда автор рекомендует: при сравнительно небольших диамет-

Проведенный анализ и выполненные расчеты позволили дать рекомендации, направленные на снижение энергопотребления, повышение экономичности строительства трубопроводов (рис. 5). На рис. 6 автор приводит сравнительные технико-эко- номические характеристики трубопроводов в ППУ-изоляции с другими видами. Автор в разработанных технических реко-

мендациях предлагает заменять существующую традиционную канальную прокладку (сталь — минеральная вата) систем трубопроводов на водонепроницаемую систему «труба в трубе».

Количество аварий за год на 1 км теплотрассы

Коэффициент теплопроводности изоляционных материалов

Стоимость прокладки 1 км двухтрубной теплотрассы

Минвата (канал)

АПБ (армопенобетон), (бесканально)

ППУ(бесканально)

Рис. 6. Сравнительные технико-экономические характеристики трубопроводов в ППУ-изоляции с другими конструкциями.