Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Институт Государственного управления,

Выпуск 1, январь - февраль 2014 права и инновационных технологий (ИГУПИТ)

Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

http://naukovedenie.ru 01TVN114

Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Институт Государственного управления,

Выпуск 1, январь - февраль 2014 права и инновационных технологий (ИГУПИТ)

Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru

1

http://naukovedenie.ru 01TVN114

УДК 624.1:625.7:656.1

ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» Лысьвенский филиал Россия, Лысьва¹

Численное моделирование влияния канального трубопровода на тепловой режим грунтового массива

Апталаев Марат Назимович

Инженер КЦ

E-Mail: Aptalaev_lfpstu@mail.ru



Аннотация

трубопровод температура грунтовый инженерный

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.



Abstract

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

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.



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.

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.

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]:

(1)

где Q - количество тепла, проходящего за единицу времени, Вт; л - 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]:

, (2)

где t_О - температура грунта на глубине оси теплопровода, °С;

q1, q2 - удельные тепловые потери первой и второй труб соответственно, Вт/м; л _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

м (3) м (4)

где ф 1, ф 2 - температура теплоносителя в первой и второй трубах соответственно, °С;

R_О - 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,

Вт (5)

??₁₍₂₎ = ??_и1(2) + ??_гр, м ? С⁰/Вт (6)

где R_И1, R_И2 - термическое сопротивление изоляции трубы, м?°С/Вт;

R_ГР - термическое сопротивление грунта, м ? °С/Вт,

(7)

Вт (8)

2 ?? _гр

где л_И - 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 - R_К и воздушной прослойки между железобетонной конструкцией и трубой - R_В



??₁₍₂₎ = ??_и1(2) + ??_гр + ??_?? + ??_К, м ? С⁰/Вт (9)

Вт (10)

Вт (11)

2 ?? КК1

где d_В1(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.

??₁₍₂₎ = ??_и1(2) + ??_гр + ??_?? + ??_Ф, м ? С⁰/Вт (12)

, м (13)

ФФ1Вт

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 t_О = 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 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.



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.

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

Размещено на Allbest.ru

...