Численное моделирование влияния канального трубопровода на тепловой режим грунтового массива
Бесплатно
Основная коллекция
Издательство:
Науковедение
Автор:
Апталаев М. Н.
Год издания: 2014
Кол-во страниц: 10
Дополнительно
Тематика:
ББК:
УДК:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 1, январь – февраль 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 1 http://naukovedenie.ru 01TVN114 УДК 624.1:625.7:656.1 Апталаев Марат Назимович ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» Лысьвенский филиал Россия, Лысьва1 Инженер КЦ E-Mail: Aptalaev_lfpstu@mail.ru Численное моделирование влияния канального трубопровода на тепловой режим грунтового массива Аннотация: Инженерные коммуникации, проложенные под проезжей частью городских дорог и улиц, оказывают значительное влияние на условия их эксплуатации, обусловленное формированием температурно-влажного пояса вокруг тепловых сетей. Однако в научной литературе практически отсутствует обоснований для рекомендаций по размещению инженерных коммуникаций в зонах пересечения с улично-дорожной сетью города. Для количественной оценки влияния канального либо бесканального теплопровода на ход сезонного промерзания, оттаивания и других процессов было выполнено данное исследование. В работе рассмотрены основные особенности канального метода прокладки инженерных коммуникаций, его достоинства и недостатки. Представлена математическая модель для количественной оценки влияния трубопровода на тепловой режим грунтового массива, позволяющая определять температуру произвольной точки грунтового массива в окрестности теплопровода. Рассмотрена зависимость температуры произвольной точки грунтового массива в зоне теплопровода от плотности и влажности грунта. Исследование показало, что трубопровод (как канальный, так и бесканальный) оказывает значительное влияние на тепловой режим грунтового массива. Полученные результаты являются основой для обоснования требований к размещению инженерных коммуникаций в зонах пересечения с городскими улицами и дорогами. Ключевые слова: Инженерные коммуникации; метод канальной прокладки; математическая модель; теплопроводность грунта; тепловой режим грунтового массива. Идентификационный номер статьи в журнале 01TVN114 1 618900, Пермский край, г. Лысьва, ул. Ленина, д.2
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 1, январь – февраль 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 2 http://naukovedenie.ru 01TVN114 Marat Aptalaev Perm National Research Polytechnic University, Lysva branch Russia, Lysva E-Mail: Aptalaev_lfpstu@mail.ru Numerical modeling of channel duct and influence on soil thermal conditions Abstract: Engineering communications laid under a carriageway of city roads and streets, make considerable impact on conditions of their maintenance, caused by formation of a temperaturewet belt round heat networks. However in the scientific literature practically is absent substantiations for recommendations about disposing of engineering communications in zones of crossing with a city road system. The research has been lead for a quantify assessment of the influence of channel or channel-free duct a on a course of seasonal freezing, thawing and other processes. In article describe the main features of the channel method of installation engineering services. A mathematical model for the quantify assessment of the impact of pipeline on the thermal regime of the soil mass is offered. Dependence of temperature of any point of a soil mass in a zone of a heating conduit from density and moistness of a soil is considered. Research showed that the pipe duct (as channel, and channel-free) makes considerable impact on a thermal mode of a soil mass. The received results are a basis for a substantiation of requirements to disposing of engineering communications in zones of crossing with city streets and roads. Keywords: Utilities; channel construction method; the mathematical model; the thermal regime of the soil mass. Identification number of article 01TVN114
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 1, январь – февраль 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 3 http://naukovedenie.ru 01TVN114 Инженерные коммуникации, расположенные под проезжей частью улично-дорожной сети (УДС) города, оказывают значительное влияние на условия эксплуатации транспортных объектов. Можно выделить наиболее значимые факторы данных изменений: ● прорывы коммуникаций; ● утечки носителя из трубопровода; ● качество засыпки траншей после ремонтно-строительных работ. Согласно статистике, за десять месяцев 2013 г. было допущено свыше 167 тысяч дорожно-транспортных происшествий (ДТП), из них 43 тысячи (25%) – по причине неудовлетворительного состояния улиц и дорог [10]. Для Пермского края данные показатели составили 4400 и 948 ДТП соответственно. Столь значительная доля ДТП (порядка одной четверти) свидетельствует о том, что состояние дорожного покрытия – один из важнейших факторов риска ДТП, в свою очередь, влияние теплопроводов, проложенных под дорожными одеждами улиц и дорог – одна из основных причин неудовлетворительного состояния УДС. Таким образом, расположение трубопроводов непосредственно под дорожными одеждами УДС является крайне нежелательным. При этом полностью исключить пересечение подземных инженерных коммуникаций с УДС города практически невозможно даже на этапе нового строительства. Поэтому разработка рекомендаций по размещению трубопроводов в зонах пересечения с улицами и дорогами, основанных на анализе их взаимного влияния, является важной задачей. Вокруг теплотрубопровода формируется температурно-влажный пояс, что приводит не только к определенным потерям тепла, связанными с перерасходом теплоносителя, но и к изменениям работы системы «земляное полотно - дорожная одежда». Помимо этого, теплопотери обратно воздействуют на саму инженерно-коммуникационную сеть. По данным разных источников протяженность теплопроводов подземной и надземной прокладки в Российской Федерации составляет более 250 тыс. км. Не менее 85% общей протяженности составляют тепловые сети подземной прокладки. При этом для 80% трубопроводов тепловых сетей превышен срок безаварийной эксплуатации, а более 30% из них физически устарели и требуют капитального ремонта либо замены [11]. Основным способом строительства тепловых сетей является подземная канальная прокладка (до 84% от общего количества). Данный вид прокладки имеет ряд неоспоримых преимуществ: 1. Каналы предохраняют теплопроводы от воздействия грунтовых, атмосферных и паводковых вод; 2. Трубопроводы в них укладывают на подвижные и неподвижные опоры, при этом обеспечивается организованное тепловое удлинение; 3. Канальный метод прокладки трубопроводов позволяет обеспечить быстрый доступ к трубам в случае проведение ремонтных работ и осмотров; 4. В канальных прокладках давление грунта передается на строительные конструкции канала, позволяет трубопроводу и изоляционным конструкциям не испытывать нагрузки от давления грунта и других внешних напряжений; 5. каналы предотвращают выброс теплоносителя на поверхность земли при разрыве трубопровода.
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 1, январь – февраль 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 4 http://naukovedenie.ru 01TVN114 Также имеется ряд недостатков: 1. Стоимость строительства в зависимости от диаметра выше на 10-50% по сравнению с бесканальным методом; 2. Сроки строительства выше в 2-3 раза по сравнению с бесканальным; 3. Сравнительно небольшой срок эксплуатации. Бесканальная прокладка с применением предварительно изолированных труб применяется там, где технически невозможно или экономически нецелесообразно устройство дренажных систем для предотвращения затопления каналов грунтовыми водами и атмосферными осадками. На данный момент лишь 6% от общего объема тепловых сетей выполнено по данной технологии [1]. Бесканальные теплосети в сравнении с проложенными в каналах обладают рядом преимуществ [2]: 1. Снижение капитальных затрат при строительстве в 1,2–1,3 раза; 2. Сокращение сроков строительства в 2–3 раза; 3. Повышение долговечности конструкций до 25–30 лет и более, т.е. в 2–3 раза; 4. Уменьшение расходов на текущее обслуживание в 9–10 раз; 6. Снижение тепловых потерь с 20–40% до 2–3% в зависимости от местоположения. Потери тепла в трубах с ППУ-изоляцией минимальны. Конструкция «труба в трубе» позволяет полностью исключить наружную коррозию трубопровода. В результате, значительно повышается надежность, долговечность, снижается доля ручного труда при строительстве и монтаже теплосетей, значительно снижаются эксплуатационные расходы после ввода трубопровода в эксплуатацию [2]. Для обеспечения своевременного устранения дефектов в период эксплуатации, при строительстве подземных трубопроводов, требуется предусмотреть наличие средств дистанционного контроля за состоянием труб. В настоящее время, в российской научно-технической литературе уделяется самое пристальное внимание вопросам исследования тепловых режимов эксплуатации теплотрубопроводов [3]. Учитывая недостаточное обоснования по размещению теплотрасс при пересечении с дорожными объектами, была предпринята попытка по исследованию особенностей формирования водно-теплового режима земляного полотна в зоне их пересечения с УДС города. Подземные теплопроводы представляют собой внутригрунтовый искусственный тепловой источник, расположенный обычно на глубине 2-2,5 м от поверхности дорожной одежды. Незначительная глубина заложения обоснована наличием защитного железобетонного канала, в случае канальной прокладки, либо футляра, в случае бесканальной прокладки [4]. Такое решение также предполагает удобство ремонта без разрытия дорожного полотна. Присутствие источника излучения теплового потока непосредственно в грунтовой среде не рассматривалось, хотя его наличие вблизи активной зоны земляного полотна заметно изменяет температурно-влажностный баланс.
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 1, январь – февраль 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 5 http://naukovedenie.ru 01TVN114 Для количественной оценки влияния канального теплопровода на ход сезонного промерзания и оттаивания, влагонакопления, разуплотнения и других процессов необходимо, прежде всего, реализовать изотермическое моделирование земляного полотна. Рис. 1. Схема рассматриваемой системы «трубопровод – окружающая среда» (1 – металлическая стенка трубы, 2 – слой тепло- и гидроизоляции, 3 – воздушная прослойка, 4 – железобетонный короб, 5 – грунт, h – расстояние между поверхностью грунта и осью трубопровода, b – расстояние между осями трубопроводов) Для рассматриваемой области (Рисунок 1) решается двумерная стационарная задача теплопереноса в системе «подземный канальный трубопровод – окружающая среда» [5] Первым этапом при решении данной задачи становится получение и апробация математического выражения для расчёта температур от излучаемого через трубопровод теплового потока. При постановке задачи на внешней границе рассматриваемой системы «слой теплоизоляции – окружающая среда» выставлялись граничные условия третьего рода, а на внутренней – граничные условия первого рода для задачи теплопроводности [6]. Требуемое выражение основывается на известном уравнении теплопроводности для полого цилиндра (трубы) произвольной длины [8]: 𝑄 = 𝜆 ( 2∗𝜋∗𝐿 ℎ∗𝑑2 𝑑1 ) ∗ (𝑡1 − 𝑡2) (1) где Q – количество тепла, проходящего за единицу времени, Вт; λ – теплопроводность, Вт/(м ⋅ °С); L – длина полого цилиндра, м; d1, d2 – внутренний и внешний диаметры трубы соответственно, м; t1(2) – температура между противоположными поверхностями цилиндра, °С. Развёрнутое выражение для определения температуры в произвольной точке грунтового массива вокруг двухтрубного теплопровода, полученное преобразованием уравнения Ламе и Клапейрона, предложено А.П. Сафоновым [7]: 𝑡 = 𝑡0 + 𝑞1 2∗𝜋∗𝜆гр ∗ 𝑙𝑛√ 𝑥2+(𝑦+ℎ)2 𝑥2+(𝑦−ℎ)2 + 𝑞2 2∗𝜋∗𝜆гр ∗ 𝑙𝑛√ (𝑥−𝑏)2+(𝑦+ℎ)2 (𝑥−𝑏)2+(𝑦−ℎ)2, (2) где tО – температура грунта на глубине оси теплопровода, °С;
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 1, январь – февраль 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 6 http://naukovedenie.ru 01TVN114 q1, q2 – удельные тепловые потери первой и второй труб соответственно, Вт/м; λ ГР – теплопроводность грунта, Вт/(м ⋅ °С); х и y – координаты расположения точки в грунте, м; b – горизонтальное расстояние между осями труб, м; h – глубина заложения оси теплопровода от поверхности земли, м 𝑞1 = (𝜏1−𝑡0)∗𝑅2−(𝜏2−𝑡0)∗𝑅0 𝑅1∗𝑅2−𝑅02 , Вт м ⁄ (3) 𝑞2 = (𝜏2−𝑡0)∗𝑅2−(𝜏1−𝑡0)∗𝑅0 𝑅1∗𝑅2−𝑅02 , Вт м ⁄ (4) где τ 1, τ 2 – температура теплоносителя в первой и второй трубах соответственно, °С; RО – условное дополнительное термическое сопротивление, учитывающее взаимное влияние первой и второй труб, м ⋅ °С/Вт; R1, R2 – суммарное термическое сопротивление первой и второй труб соответственно, м ⋅ °С/Вт, 𝑅0 = 1 2∗𝜋∗𝜆гр ∗ 𝑙𝑛√1 + ( 2∗ℎ 𝑏 )2, м ∗ С0/Вт (5) 𝑅1(2) = 𝑅и1(2) + 𝑅гр, м ∗ С0/Вт (6) где RИ1, RИ2 – термическое сопротивление изоляции трубы, м⋅°С/Вт; RГР – термическое сопротивление грунта, м ⋅ °С/Вт, 𝑅и1(2) = 1 2∗𝜋∗𝜆и ∗ 𝑙𝑛 𝑑2 𝑑1 , м ∗ С0/Вт (7) 𝑅гр = 1 2∗𝜋∗𝜆гр ∗ 𝑙𝑛 4∗ℎ 𝑑 , м ∗ С0/Вт (8) где λИ – теплопроводность изоляции трубы, Вт/(м ⋅ °С). Поскольку канальный трубопровод в зоне пересечения с дорогой помещается в железобетонный канал, то выражение (6) усложнится за счёт введения термического сопротивления канала - RК и воздушной прослойки между железобетонной конструкцией и трубой - RВ 𝑅1(2) = 𝑅и1(2) + 𝑅гр + 𝑅𝐵 + 𝑅К, м ∗ С0/Вт (9) 𝑅𝐵 = 1 2∗𝜋∗𝜆𝐵 ∗ 𝑙𝑛 𝑑В2 𝑑𝐵1 , м ∗ С0/Вт (10) 𝑅К = 1 2∗𝜋∗𝜆К ∗ 𝑙𝑛 𝑑К2 𝑑К1 , м ∗ С0/Вт (11) где dВ1(2), d К1(2) – внутренние и наружные диаметры до границ воздушной прослойки и канала соответственно, м. Для бесканального трубопровода в выражение (6) требуется ввести термическое сопротивление футляра. 𝑅1(2) = 𝑅и1(2) + 𝑅гр + 𝑅𝐵 + 𝑅Ф, м ∗ С0/Вт (12) 𝑅Ф = 1 2∗𝜋∗𝜆Ф ∗ 𝑙𝑛 𝑑Ф2 𝑑Ф1 , м ∗ С0 Вт (13)
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 1, январь – февраль 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 7 http://naukovedenie.ru 01TVN114 Графическая демонстрация работоспособности предложенной модели представлена на рис. 1–2. Исследование проводилось для трубопровода с диаметром прохода 600 мм, с толщиной стенки 9 мм с тепловой изоляцией из минеральной ваты (толщиной 70 мм) [9]. Для примера расчёты выполнены для глубины заложения сети 1,0 м и температуры грунта на уровне оси трубы tО = 1°С. Дорожная одежда в проведённых расчётах во внимание не принималась. Рис. 2. Зависимость температуры на поверхности канала от влажности грунта, температура носителя 90/50 °С Рис. 3. Зависимость температуры на поверхности канала от плотности грунта, температура носителя 90/50°С Параметры влажности и плотности очень чётко коррелируют в следующем отношении: чем выше влажность и плотность грунта, тем выше его теплопроводность и ниже температура
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 1, январь – февраль 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 8 http://naukovedenie.ru 01TVN114 в рассматриваемой точке массива (Рисунок 2, 3). Это можно объяснить объёмом заполненных воздухом пор: чем больше этот объём, тем более выражены теплоизоляционные свойства грунта и, как следствие, ниже температура в зоне соприкосновения грунта и канала трубопровода. На основании анализа результатов исследования можно сделать следующие выводы: 1. в поясе расположения подземных теплосетей происходит удлинение талого периода для грунта земляного полотна, и, следовательно, - продлевается годовой период накопления остаточных деформаций в земляном полотне; 2. в зонах прокладки тепловых подземных коммуникаций увеличивается количество циклов замерзания и оттаивания грунта, что приводит к еще более интенсивному накоплению остаточных деформаций в земляном полотне; 3. в области влияния теплосетей происходит некоторое увеличение влажности грунта земляного полотна по сравнению с обычными участками, что также отражается на темпе накопления дефектов в системе «дорожная одежда – земляное полотно». Для окончательного подтверждения результатов исследования, требуется проведение натурных экспериментов. Таким образом, можно говорить о том, что перенос инженерных коммуникаций из-под УДС города является необходимым и обоснованным шагом для обеспечения долговечности и надежности состояния дорожных одежд транспортных объектов. При проектировании и строительстве новых элементов УДС следует избегать пересечения их с имеющимися подземными инженерными коммуникациями.
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 1, январь – февраль 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 9 http://naukovedenie.ru 01TVN114 ЛИТЕРАТУРА 1. Манюк В.И., Майзель И.Л. Новое поколение тепловых сетей – высокоэффективные системы трубопроводов с пенополиуретановой изоляцией // Сантехника, № 5, 2004 г. 2. Майзель И.Л. Трубы с тепловой изоляцией из пенополиуретана – реальный путь усовершенствования системы теплоснабжения // Энергосбережение, № 2, 2002 г. 3. Слепченок В.С., Петраков Г.П. Повышение энергоэффективности теплоизоляции трубопроводов тепловых сетей северных и северо-восточных регионов России // Инженерно-строительный журнал, №4, 2011 г. 4. Яровой Ю.В., Корсунский В.Х., Бурдыга Ю.Ю. О системе качества трубопроводов в ППУ изоляции НП «Российское теплоснабжение» // Энергобезопасность и энергосбережение, №1, 2010 г. 5. Половников В.Ю., Хузеев В.А. Численный анализ влияния промерзания грунта в зоне прокладки на тепловые потери бесканальных теплопроводов // Magazine of Civil Engineering, №2, 2013 г. 6. Логинов В.С., Половников В.Ю. Численное моделирование тепловых режимов канальных теплотрубопроводов в условиях взаимодействия с влажным воздухом // Известия Томского политехнического университета, №4, 2008 г. 7. Лыков А.В. Теория теплопроводности. – М.: Гос. изд-во Технико-теоретической литературы, 1952. – 392 с. 8. Сафонов А.П. Сборник задач по теплофикации и тепловым сетям. Учебное пособие для ВУЗов. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 232 с. 9. Справочник проектировщика. Проектирование тепловых сетей. Курган: Интеграл, 2010. 357 с. 10. «Сведения о показателях состояния безопасности дорожного движения за 10 месяцев 2013 г.» Электронный ресурс] // Госавтоинспекция МВД России: статистические отчеты [Офиц. сайт]. URL: http://www.gibdd.ru/stat/ 11. «Новое поколение тепловых сетей – высокоэффективные системы трубопроводов с пенополиуретановой изоляцией» [Электронный ресурс] // Информационная система по теплоснабжению [Офиц. сайт]. URL: http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=1483 Рецензент: Балабанов Денис Сергеевич, заведующий кафедрой ТД, кандидат технических наук ЛФ ПНИПУ.
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Выпуск 1, январь – февраль 2014 Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru 10 http://naukovedenie.ru 01TVN114 REFERENCES 1. Manjuk V.I., Majzel' I.L. Novoe pokolenie teplovyh setej – vysokojeffektivnye sistemy truboprovodov s penopoliuretanovoj izoljaciej // Santehnika, № 5, 2004 g. 2. Majzel' I.L. Truby s teplovoj izoljaciej iz penopoliuretana – real'nyj put' usovershenstvovanija sistemy teplosnabzhenija // Jenergosberezhenie, № 2, 2002 g. 3. Slepchenok V.S., Petrakov G.P. Povyshenie jenergojeffektivnosti teploizoljacii truboprovodov teplovyh setej severnyh i severo-vostochnyh regionov Rossii // Inzhenerno-stroitel'nyj zhurnal, №4, 2011 g. 4. Jarovoj Ju.V., Korsunskij V.H., Burdyga Ju.Ju. O sisteme kachestva truboprovodov v PPU izoljacii NP «Rossijskoe teplosnabzhenie» // Jenergobezopasnost' i jenergosberezhenie, №1, 2010 g. 5. Polovnikov V.Ju., Huzeev V.A. Chislennyj analiz vlijanija promerzanija grunta v zone prokladki na teplovye poteri beskanal'nyh teploprovodov // Magazine of Civil Engineering, №2, 2013 g. 6. Loginov V.S., Polovnikov V.Ju. Chislennoe modelirovanie teplovyh rezhimov kanal'nyh teplotruboprovodov v uslovijah vzaimodejstvija s vlazhnym vozduhom // Izvestija Tomskogo politehnicheskogo universiteta, №4, 2008 g. 7. Lykov A.V. Teorija teploprovodnosti. – M.: Gos. izd-vo Tehniko-teoreticheskoj literatury, 1952. – 392 s. 8. Safonov A.P. Sbornik zadach po teplofikacii i teplovym setjam. Uchebnoe posobie dlja VUZov. – M.: Jenergoatomizdat, 1985. – 232 s. 9. Spravochnik proektirovshhika. Proektirovanie teplovyh setej. Kurgan: Integral, 2010. 357 s. 10. «Svedenija o pokazateljah sostojanija bezopasnosti dorozhnogo dvizhenija za 10 mesjacev 2013 g.» Jelektronnyj resurs] // Gosavtoinspekcija MVD Rossii: statisticheskie otchety [Ofic. sajt]. URL: http://www.gibdd.ru/stat/ 11. «Novoe pokolenie teplovyh setej – vysokojeffektivnye sistemy truboprovodov s penopoliuretanovoj izoljaciej» [Jelektronnyj resurs] // Informacionnaja sistema po teplosnabzheniju [Ofic. sajt]. URL: http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=1483