автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Совершенствование метода расчета оледенения водовода надземной прокладки при перерывах в подаче воды

РГЗ С.1.

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ЮДИН

Михаил Юрьевич

На правах рукописи

УДК 628.14:624,143.3

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА ОЛЕДЕНЕНИЯ ВОДОВОДА НАДЗЕМНОЙ ПРОКЛАДКИ ПРИ ПЕРЕРЫВАХ В ПОДАЧЕ ВОДЫ

05.23.04 — Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1994

Работа выполнена на кафедре водоснабжения и водоот ведения Петербургского государственного университета пу тей сообщения.

Научный руководитель —

заслуженный деятель науки и техники

Российской Федерации, доктор технических наук, профессор В. С. ДИКАРЕВСКИЙ

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор 10. А. ИЛЬИН,

кандидат технических наук Н. П. ЗАБОРЩИКОВА

Ведущая организация — АО «ЛЕНГИПРОТРАНС».

Защита состоится . _ {994 г

в . . . час . . . мин на заседании специализированной совета К 114.03.04 в Петербургском государственном универ ситете путей сообщения по адресу: 190031, Санкт-Петербург Московский проспект, 9, ауд. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уни верситета.

Автореферат разослан « ... » . . . . 1994 г

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим на правлять по адресу совета Университета.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

О. А. ПРОДОУ(

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность„теыы. Более двух третей территории России находится в Северной строительно-климатической зоне. В районах Крайнего Севера в настоящее время проживает около И млн. человек. Большинство городов и поселков Севера имеют, централизованные системы водоснабжения.

Водоводы относятся к сооружениям, определяющим надежность работы системы водоснабжения в целом. Неизбежные на практике вынужденные перерывы в подача воды при эксплуатации водоводов надземной прокладки, получившей на Севера преимущественное распространение, в условиях .• отрицательных температур окружающего воздуха нередко перерастают в тяжелые по своим последствиям аварии, при которых происходит их полное промерзание. Наряду с совершенствованием способов защиты водоводов от замерзания, кото- ^ рым на протяжении десятилетий уделяется существенное внимание, необходимо совершенствовать и методы расчета оледенения, ,.■ возникающего при перерывах в подача воды. Оледенение в водоводе со сплошной цилиндрической теплоизоляцией развивается весьма медленно, однако тасая идеализированная ютдель нэ ■ учитывает наличия на нем ряда устройств,. тггенгагЗящярупзих теплоотдачу. Многообразие подобных устройств'и существенное.усдояйенкэпроцесса оледенения в местах их установки не позволило иочергагвгнтГ образом учесть их интенсифицирующее влияние в методах, применяемых для. расчета оледенения* вознжас™го п иодоводо: пр:; перерывах в подаче воды. Это в полной мера относится к . оаорньпл конструкциям водоводов - наиболее' распространенному 'ва--практика, К. »вместе с тем, слабо изученному источнику иитаксифякадаш теплоотдачи водо-

водов при надзеином способе прокладки.

Опыт применения надземной прокладки водоводов, обобщенный при обследовании систем водоснабжения на трассе БАМ, показывает, что недостаточная изученность вопросов прогнозирования оледенения при перерывах в подаче вода является важным фактором понижена их надежности и повышения еаграт на их эксплуатацию. Поэтому совершенствование метода расчета оледенения водоводов надземной прокладки при перерывах в подача воды путем исследования интенсифицирующего воздействия опорных конструкций, как устройств с развитой поверхностью теплоотдачи, является актуальной науч-ко-технической задачей.■-.'••

Кед5й..да!п;с,"».рз5ота является разработка, методики расчета оледенения Бодоьода надзошил прокладки при перерывах в подаче по неиу воды с учетом . кетекс^эдфуюдего воздействия опорных ' конструкций.

Для дооюажш посгаашлшоЗ доли в процгссо работы решались следующие адяача»

1. Разработка кэгодиа: а ирозгдошм Ешпор^знтальках исследований 1т«ш}ащтоадрго гоздейсшт распроотрашйиш ка практике типоп опорных ¡таитр;;^^ из олэде-пение водовода при перерывах ё подгчэ воду.

2. Построение математической иодом процесса оледенения водовода в ыесте установки опорой конструкции и выбор метода численного решения, в наибольшей степени отвечаогцего особенностям данной модели.

3. Выполнение численных исследований процесса оледенения водовода с учетом интенсифицирующего воздействия опорной конс-

трукции и сопоставление результатов численного моделирования с результатами финичесюто моделирования.

4. Разработка методики расчета минимальной допустимой температуры воды в водоводе, обеспечивающей предотвращение его промерзания во время возможных перерывов в ёе подаче.

Б. Определение техлико-экономической эффективности мер по ослаблению интенсифицирующего воздействия опорных конструкций на процесс оледенения водовода путем их утепления синтетическими . напыляемыми теплоизоляционными материалами, применимыми непосредственно на действующих водоводах.

{^етодияа.иссдодова.чнЯ основывалась на проведении дробных факторных экспериментов. Для опор с продольными опорными стойлами применен численный метод исследования на основе использования вариационногб подхода к построению конечно-разностных схем для уравнения теплопроводности на нерегулярных криволинейных координатных сенах.

Иаучиал г.'ошвиз. Выявлены факторы, вызывающие интенсификацию оледенения водоводов при перерывах в подаче воды, в местах наличия опорных конструкций наиболее распространенных на практике типов и получены уравнения регрессии, позволяющие количественно оцепить степень их интенсифицирующего воздействия. Разработана мзтенат!!чес1ил модель процесса оледенения водовода в месте установки опоры с продольными опорными стойка.«!, проксходяце-го в .составном теле сложной геометрнчесшй формы и Поклзаяа зф-. фективность' численного репзнкя дгшной. задачи о использованием разностных схем, настроенных на основа применения вариационного подхода и криволинейной коордяиатной сетки в двумерной постшгов-

ке. .

BpaiCTiM8c«anjDtofflio<m._Ba6fflxa. Разработанный метод позволяет рассчитывать степень оледенения в водоводе надземной прокладки с учетом иятекскфицируюцего воздействия опорных конструкций наиболее распространенных на практике тилой, назначать минимальную температуру воды, обеспечивающую предотвращение промерзания водовода во время Возможных перерывов в ее подаче. Установлена технико-экономическая эффективность утепления опорных конструкций водоводов в условиях эксплуатации напыляемым вспененным полиуретаном.

Реад8задкя_райоти. Метод расчета оледенения водовода с уче-тш шиенсифицирувдего влияния опорних конструкций и разработанная на его основе методика выбора ¡,ик;шальной теыпергиуры воды реализованы в программа для IBM РХ/ХТ - AT совместимых ЭВМ. Программа апробирована путем расчета реальных водоводов, распо-хоаекных в Северной стро-лтелько-климатической зоне, внедрение цер по оелаблешш интенсифицируодего воздействия опорных 'конструкций путем их качественного утепления осуществлено на Восточной участке БАМ к.д. г

Апройпдяз.-работа. Основные результаты райоты докладывались н обсуадались ка научно-техническом сешшаре по проблемам надежности систем водоснабжения ЗДНТД (Москва, 1S89);. на 37-й науч-ш-технической конференции ХабИИЕГа (Хабаровск, 1991); 50-й научной конференции ШЖСИ (С.-Петербург, 1993). Еубдяауя. По теые опубликовано 7 работ и получено авторское свидетельство.

- 6 -

Объсм_и_струптура_рзбст». Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка дитегатуры (115 наименований) и 2 приложений. Наложена на 120 страницах, содержит 25 рисунков и 21 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Со пведении обоснована актуальность работы и дана ее общая характеристика.

. В первой глава выполнен обзор научно-технической литературы, посвященной проблемам водоснабжения на Севере. Научные основы проектирования систем водоснабжения в районах распространения вечной мерзлоты заложены В.Г.Шуховым, И.Я.Юхоцким, А.А.Суриным,' А.И.Сумгиным и развиты в работах М.М.Андрняиева, С.Н.Аронова, Н.В.Богдасарова, Г.В.Порхаева, Р.С.Пэрелеишиа, Н.Ф.Федорова, О.В.Заборкикова, Ю.И.Вдовина, Л.Л.Терехова,

A.Л.Ястребова и других исследователей, каздый из которых той .или иной мере уделял внимание тепловым расчетам водоводов при

перерывах в подаче воды.

Особую актуальность. вопросы, связанные с прогнозированием последствий перерывов в подаче водиимеют для. надземного способа прокладки водоводов, который, наряду о немаловажными достоинствами , отличается кратковременностью периода остывания и промерзания воды в трубах при прекращении ее подачи;' ■'

Особенности применения надземного способа проквадки водоводов систем водоснабжения наиболее полно отражены в работах Н.Н.Эенгера, В.П.Стеганцева,; А.В.Лэтова, Н.П.Заборщгвтвой, гидротехнических трубопроаоа - в раОотач П.А.Богословского.

B.М.Глдкких, Ю.А.Попова, И.Н.ПаталиноЛ.

Основным методом расчета оледенения при перерывах в'подаче воды является приближенное решение задачи затвердевания неограниченного цилиндра, выполненное Л.С.Лейбензоном. Оно удовлетворите дько описывает промерзание водовода в сплошной кольцевой теплоизоляции, но неприменимо в более сланных случаях, когда водовод оснащен устройствами с развитой поверхностью теплоотдачи. В этих практически ваигых случаях применяются поправочные эмпирические коэффициенты. Некоторые из них, относящиеся к трубопроводной арматуре, определены А.В,Лотовым и Н.П.Заборщиковой. Их данные свидетельствуют .-о том, что полное промерзание водовода в сечении с арматурой ускоряется в 1.4 - 2.7 раза. Опорные конструкции водоводов, также являвшиеся широко распространенными на практике источниками интенсификации теплоотдачу, поподобкь&ш исследованиями не охвачены.

Дальнейшее совершенствование методы тепловых расчетов водоводов в условиях Сесера получ;шн в ходе развития численного моделирования, ориентированного на применение 53М, в работах А.И.Лоисеешй, В.П.Симонова, "Г.А.Капитоновой, Ю.Н.Кольчика.

Ледяные выступы, сопутсгвукдае местам с интенсифицированной теплоотдачей, создают дополнительное гвдрзалическое сопротивление. Зширкческкй. метод 'его расчета предложен казахскими учеными Д.А. Нусупбековой и К.Т. Турликовым.

Зарубежные исследования по вопроса.! водоснабжения в условиях вечной ызрзлоты отрашш в работах Лока и Зиермана, Гилпина, Шйщта и Рихтера, Стюарта, Льюиса, Уотерса и др.

Обзор литературы дополнен анализом практического'Применения

- 8 -

надземного способа прокладки, водоводов па БЛМэ. В основном применяются водоводы диаметром 100-300мм в теплоизоляции из минера-ловатных материалов, тшкиной 30-100мм.'- Установлена, что в неблагоприятных температурно-влажносгных условиях фактическая теплопроводность материала возрастает в 1.5-1.9 раза. Обследованы опорные конструкции водоводов. Наибольшее распространение получили подвижные опоры, с продольны),¡и и поперечными опорными стойками,. из опор неподвижного типа наиболее распространены опоры лобовые двухупорные, облегченные одноулорные и опоры неподвижные хомутовые. Обобщена информация о геометрических размерах опор. Утеплители с отбытой пористостью -не обеспечивают (сачественного утепления опорных конструкций, его долговечность в условиях эксплуатации не превышает 2-3 года. Причинами перерывов в подаче воды являются: отгкгавчеше энергоснабжения, отказы насос!ШХ агрегатов, разрушения труб.при наездах автотранспорта и др. Эксплуатационный персонал, не-имеющий необходимых зшструюдий, регламентирующих его действия в аварийной ситуации, несвоевременна приступает к аиорокиекгаз водовода. Нередко к этому моменту уже произошло его полное промгрсаниа в несдальгаи сечениях о интенсифицированной теплоотдачей и авария приводит к тяжелим последствиям для водовода и системы водоснабквю» а'.целом.-

В конце первой гласи сформударовани выводы относительно цели, методов и задач исследования..,

По ?5т6соД главе изложена методика экспериментальных иссле- , доваляй. В соответствии о целью работы.в 'качества.основной выходной переменной выбрая симплекс, названий коэффициентом иа-тенси&ясащш промерзания, преяетааюядай собой отношение площади оледенения »2 в том иесге водовода, где опора создает наибольшее

оледенение, и где должно, произойти его пршерзашш к йдощади оледенения вне зоны теплового влияния опорной конструкции

-Г'«2А»1. (1)

Дополнительными вьнодш.гл пореыеишгаи вьйкр&отся симплексы, зказчзящце основные геометрические параметры ледяного выступа, необходимые для расчета потерь папора в оледеневши' водоводе

Ь\ Ь% 1\

(2)

и О ■

где Ь - толста слсл ада ка внутренней поверхности труба вне пределов -дотешда&ЗДйруш5&го икщейошя .опоры; Ьц. - наибольшая гащива льда в сечгпш о ЕалЗойЬЕщлоледенением; Ьг - на;ще>п>Еая толщина льда в. .сеоднии о наибольша сОягдецеккеа; 2 - дана ледяного выступа га йределзш опори. ■

Схо:,:а изигрсап- атга версгяпш-: Ермолова «а р:;о. 1. выбор управддошс. передешюх .(фзйоров), и. диапазона ад. йарькро-иашй. осуществлен ца ошйеэ ¿шкза дагерагуры по вопроса!,! ия-. теавфихацт'{ теплообмена, .устройотааа! : о развитой поверхность® теплоотдачи я ?1в^раадя,-.;:реоАдавкой;пра оболедозаш-ш водоводов. Совокупность л""ущщяяеш»;пгргис-шшх. : юешфм? группу . факторов,, спределяешх шютрую'Шаьй ¿адагатрая] рпезраой -конструкции -основные теоаетричссзса ¡щиери, .качество утепления и материал осиовашш опорной ; клнотруггцин; группу • факторов, определяемых шютруктианши парамзтрад!, трубопровода - диаметр и толщина теплоизоляции « фактор, определяемый степенью оледенения водовода. На основании изучения .аналитического решения А.И.Пеховича и Е.Л.Разговоровой еадачл о" намерзания льда под плоским бесконечным ребром И другой априорной информации внесено!предположение о

Рис. 1 Схема оОмера ледяного мсгуаа а трубопроводе в месте . установки опорной конструкции.

возможности описания исследуемого параметра линейными уравнениями регрессии.

Экспериментальные' исследования интенсифицирующего воздействия опор на промерзание водовода выполнялись по-методу синхронного замораживания воды. Суть метода заключается в .том, что два экспериментальных стевда с водой,, представляющих .собой полномасштабные (по диметру) модели водовода, замораживаются' одновременно в одинаковых условиях. Один.из стендов имеет местный источник интенсификации' теплообмена (в данном случае - опорную конструкцию). Когда в стенде без опоры достигается. заданная степень оледенения, производится.снятие показаний о форме и площади льда в трубе с опорой. Для этого внутритрубный лед из стенда с опорой извлекается с пошзьа системы злекгрооттаивзшш. Исполь-зовакный метод несколько Солее совершенен, чем его аналоги, приценявшиеся другими исследователями этой'проблемы, В частности, он позволяет ставить .активные .эксперименты-н варьировать-в заданных пределах фактор, определяемый степенью оледенения водовода, поскольку стенды оборудованы специально разработанным устройством поворотного типа для измерения толщины льда. Поворотное устройство для измерения тавднни льда оказалось весьма удобны!.! не только для эксперт»¡актов, но и для условий эксплуатации ¡1 включено в проект приложения к строительным нормах! и правилам по проектировашао водоводов в'условиях вечной мералоты.

Предлоаено применять дробные факторные эксперименты. Применение насыщенных планов экспериментов позволяет уменьшить требуемое количество опытов, что особенно важно из-за большой трудоемкости и длительности исследований, связанных с заш-

раживанием воды.

В третьей глапа изложены результата экспериментальных исследований процесса оледенения водовода с учетом интенсифицирующего воздействия опорных конструкций наиболее распространенных типов. После стандартной обраОотют уравнения регрессии в натуральных величинах имеют следующий вид:

Подвижные опоры с поперечными опорными стойками

ki - 4.68 + 6.866 - 18.4d - 2.2НцД) (2)

Подвижные опоры с продольными опорными стойкаг.ш

kl - 3.26 - 2d - 0.47У - 5.436 + 5.14Н (3)

Опоры неподвижные, 150 мм > d > 100 мм kt - 3.75 - 0.52У - 0.28К + 3.67Ьд (4)

Опоры неподвижные, 300 мм > d > 200 ш ° kt - 4.27 - 3.8d - 0.35У - 0.2БК + 2.53bo ' (5) . Опоры неподвижные облегченные

- 2.99 - 4.8d - 0.45У + 4.БЬш + Б.436 (6)

8 формулах (2-6) d - диаметр водовода; ¡1 - высота упорной стойки; 6 - толщина теплоиаоляции; У - качественный параметр, принимаемый равным У—1 при неудовлетворительном и У-i при удовлетворительном качестве. утепления; К - параметр, принимаемый равным -1 при двухупорном и 1 при одиоупорном способе крепления опоры к трубе; Ьсз - шгрггна сзеллерз или двутавра, к которому крепится трубопроводо в формулах 2-6 величины подставляются в м.

Полученные уравнения' регрессии показывает, что опорные, констругаши существенно интенсифицирупт процесс промерзания.

В заключительно!"! части третьей главы , приводится анализ влияния псследуеььк факторов на интенсификацию оледенения, сокрл-

ценно изложенный.в разделе "Основные результаты работы и' выводы".

В wmtoprofl гдзаа. разрабатывается математическая модель процесса оледенения водовода с учетом влияния опорной конструкции на примере распространенного типа подвижкой опоры с продольными опорными- стойками. При этом внесены следующие допущения;

В начальный'момент времени t-íq, предшествующий прекращении подачи воды по водоводу, laisei место стационарный тепловой реаиы; вода в водоводе имеет постоянную по его сечению температуру; сдазшый теплообмен на внеити поверхностях теплоизоляции, и стойки, опоры и внутри опорной коробки сводится К КОНВеКТИВНОМУ; конвекция в схлаждаемоп азадкости-яе .учитывается; решение выполняется в двуыеркой постановке; ?¡a всех границах раздела материалов и элементов -конструкции-предполагается идеальный тепловой контакт; .распределение температурц и граничные'условия симметричны относ*ладьно »ертиса^гай Осп. • . . ;

С учетсц внесенных допудешй, -математическая модель описывается следувциы образом.

- 8t

Cs(t)— - div (\¿(t) erad t), ■ (7)

3t

где Cs - ойъешые тешюеыкоотт' C\ - воды; 0¿ - льда; Сз - металла; С& - теплоизоляции- (см. ркс. 2).

На границе раздела фаз температура постоянна и равна температуре фазового перехода tf.- тепловые потоки при этом разрывны я их разность составляет £ * v, где Е - энтальпия, a v- скорость продвижения фазового перехода, v - г/ т. Условия на границе раз-

Рис. 2 Постановка задачи о промерзании водовода а опорной конструкцией.

деда фаз имеют еэд

( £ - ¿Г

1СХг £гас1 £> - (XI егас! I), &гас! 4] ■ + Е %/ х - О,

Уравнение (?) и условия (8) сводятся в одно уравнение что позволяет использовать экономичную схему метода сквозного счета. Для этого используется принцип "размазывания" - замены разрывных коэффициентов уравнения (7) да непрерывными функциями, от температуры С( Ь) изич)

~ и. : :

ось)— - би ат ¡¡та и, о)

8 с

Сгдзканнш гшг эффективные акзчещщ С чХ аппроксимированы на кнтервагз - Ль ¿г - йг! кусочно - -кубическими функциями, где ¿и н До - 1штерва£ы сглаживания слева ¡1 справа от температуры фазового перехода.

Начальные условна: в начальный'момент времени, о^вечаэдий. шмэнту осташвкн псдачл вода ко водоводу, ¡шоется стационарное распределение температуры

Граничше условия третьего рода шеит место на границах Г1-£. Лг-з, Г4-5. Л5_6

-Хз егаа t - ^воз ~ У. - «4(ЧэЕОз - О,

Г1-2

г*-3 |Г4-5 • Ш)

- 16 -

_\4 grad ti - схзГt3ao3 - t),

|r5-6

где «i—i - коэффициенты теплоотдачи от трубы и вертикальной опорной стойки к воздуху Енутри шортюй коробки, от поверхности теплоизоляции и опорной стойки к окружающему воздуху соответс-твенко; t - температуры воздуха внутри опорной корооки и вокруг трубопровода.

На границе Г3-4 приняты условия четвертого рода.

Уравнения (9 - 12) в совокупности с внесенными допущениями составляют математическую модель исследуемого процесса оледенения водовода с учетом интенсифицирующего влияния опорной конструкции. Задача в подобной постановке могут быть решены тояеч-но-разиостныш метода«!. Особенности данной задачи состоят в том, что теплообмен протекает в теле слогшай геометрической формы, которое является состазным, поскольку образовано из злемен-тоз с существенно отлячнациш?ся теплофизкчесгами свойствами. Указачкш, особенностям наиболее' отвечает метод построения разностных схем на основе вариационного подхода с применением крк-Еолинейной коордкнаткой сетки. Данный метод обеспечивает коксер-вапшность и абсолаткуа устойчивость разностных схем и позволяет преодолеть осложнения,-вызываемые особенностям! сформулированной математической модели."

Уравнение (9) записывается через вектор теплового потока W

. 9t - - ..

С ir--di и W , (13); ~ -X erad t. (14)

<? г

Краевые условия на границах расчетной области S2 можно записать в общем виде

IrW.n) + ßtj^ - f (15)

где 7Г- внешняя нормаль к поверхности Г расчетной области;

г, ß, f - параметры, заданные на поверхности Г. При г - 0, р - 1 получаем граничные условия первого рода, при х - 1, 0*1- третьего рода, при т - О, в - о - второго рода.

Процесс распространения тепла происходит в соответствии со следующим вариационным принципом. В каждый фиксированный момент

времени вектор теплового потока доставляет минимум функционалу

-» £

•• ff" 3 ■

F(ty - - ей + Ct ей (16)

J Л dt J й П

С учетом (13) функционал (16) запишется в виде

- 2

Г(Ю - J—rfi - 2§tdiVWdSi , (17)

R й.

Включая граничные условия. "(15) для построения разностной исходной краевой задачи использовал функционал

Г TT2 г (У,п) ~ -FW - J—- £\tdlvW<Si - <j>-iriW.n) - Zf]dr, (18)

ß S2 Г

и уравнение связи (13).

Рис. 3 Рззугататц численного шделвроааиия промерзания водовода Д!12ИвТ(Ш 160 км с спорной ковсгрукцией на 4-й, 8-й и 12-й час расчета. Салопной линией показана фактическая граница раздела фаз.

Для практических расчетов использованы разностные аналоги выражений, входяпдос в (15), прш.зденные в работах П.В.Лихацкого.

Для дискретизации расчетной области 12 использована четырехугольная сетка, по структуре аналогичная, прямоугольной. Ее узлы нумеруются 1 < I < N. I < J < И, фрагмент приведен на рис. 3.

Апробация метода выполнена путем численного решения тестовой задачи о промерзании неоднородного цилиндра' при граничных условиях третьего рода. Сравнительные расчеты, проведенные с уменьшающимся временным шагом показали, что выбранный метод обеспечивает удовлетворительную сходимость к.аналитическому ре-, шени» при дроблении расчетного часа на .сто и более итераций.

Для окончательной проверки программы, реализующей выбранный метод построения разностных; схем на „основе вайационного подхода, решена реальная задача о промерзании водовода диаметром 100мм в месте установки подвижной опоры с продольными опорными стойками. Результаты численного моделирования сопоставлены с.результатами расчетов по эмпирической зависимости (2) и данными специально поставленных.экспериментов. На рис. 3 приведен.фрагмент расчетной области, в'котором показаны границы раздела фаз, построенные по данным экспериментов и нанесены расчетные точки. Статистический анализ свидетельствует об удовлетворительном совпадении результатов. Отклонение срвдаегокаэффициекта интенсификации промерзания, определенного со результатам численного моделирования, относительно козЙЭД1еата, ; определенного на основе физических экспериментов, не превосходит 6.5%.'

В пятой глава приводится оценка технико-экономической эффективности мер по оааайлэшш юленсифкцирующего влияния опорных

конструкций. Как установлено в коде экспериментальных исследований, теплоизоляция опорных конструкций способна существенно ослабить их интенсифицирующее влияние. Это позволяет уменьшил температуру подогрева воды, не снижая продолжительности допустимого (отвечающего системе ограничений, задаваемых нормативны!.«! требованиями) перерыва в еэ подаче. -Таким образом становится возможным снижение энергозатрат при эксплуатации водовода.

Температура воды, с учетом ограничений, накладываемых на параметры гидравлического и ледотермического режима, находится как решение следующей системы

¿под — ши ¿макс ¿вод ? £мин •Со + ? "Саа +

(19)

к < кдоп Ь < Лдоп <7 > 9доп.

где ¿20д - искомая минимальная температура воды в водоводе; Сизкс и ¿ынп - наибольпая и наименьшая температура воды, отвечающая требованиям-потребителей; та - продолжительность остывания воды при перерыве в ее подача; Хар - продолжительность промерзания водовода; Гав - прогнозируемая продолжительность устранения аварии; - резерв времени на случай, если авария.не устранена за период тао; кяоп - ■ наибольпая допустимая степень оледенения, при которой сохраняется работоспособность арматуры; ЛДОп - наибольшие допустимые потери напора в водоводе к-окончании периода

гав; <7доп - наименьший допустимый-расход воды к окончанию-периода Таи!

Для определения минимальной температуры воды разработан алгоритм и программа расчета. Продолжительность остывания воды и промерзания водовода при перерывах в. ее подаче находится с ' использованием эмпирических формул (2) - (б). Первоначально полагается, что ЬВод - ¿мин- Осуществляется последовательная проверка условий, составляющих систему (19) и, при необходимости„ корректируется искомая температура. .

Перечисленные этапы расчета повторяются для всех суточных температур ^воа за период подогрева воды,- которые аппроксимируются гармонической функцией в пределах кавдого месяца. Результатами расчета по описанному алгоритму являатся множества значений допустимых температур ¿вод(Л > степеней оледенения водовода на опорах каждого j-гo типа потерь напора в водоводе ЬШ,

продолзштелыюстей остывания и 'промерзания т^оСО и ге'прО) и резервов времени т^рШ, 1 - 0,л; п - N - Л, где И - количество дней в расчетном месяце.

; Методика определения юшимальной -температуры вода и программа для ее расчета апробированы.на конкретных примерах из опыта эксплуатации водоводов на БАМе и' использованы для расчета технико-экономической эффективности утепления опорных конструкций водоводов в условиях эксплуатации напыляемым вспененным полиуретаном. ".',;-у.. -'.'-;

- 22 -

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основании обзора научно-технической и нормативной литературы показана необходимость совершенствования методики теплотехнического расчета водоводов надземной прокладки при переры-вач в подаче по гам води путем исследования интенсифицирующего воздействия устройств с' развитой поверхностью теплоотдачи на оледенение водоводов. Наиболее распространенным и, вместе с тем, недостаточно изучения.« источником' такого воздействия являются опорные конструкция водоводов, методяга определения степени оледенения в местах установки ¡сотсрых не существует.

2. Обследование водоводов надземной прокладки, расположен-' нда в Северной строительно-климатической воле (БАМ, север красноярского края л др.) позволяло 'обобщить"информацию о применяемых' йа практика опорных -'конструкциях. • Отмечены массовые случаи неудовлетворительного качества- утепления опорных конструкций, что .объясняется ¡сак недооценкой гозмохных последствий, так и низкой технологичностью работ по 1тх утеплении. Установлено, что применяемые'' в настоящее время мгагераловатпые-материалы с открытой пористостью недолговечны я разрушаются в 'опорных конструкциях под неблагоприятным • температурным и вла-ягастным ■ воздействием

- за 2-3 года. : . ; : ' '

3. На основе изучения литературы о. развитых поверхностях теплообмена и ' данных, .,-.'полученных' при 'обследовании водоводов, выбраны факторы, .-■'■ способные влиять на степень интенсифицирующего воздействия опорных конструкций и назначены [штерваш их варь-крования; В ходе проведения двухуровневых дробных факторных экс-

перментов получены уравнения регрессии адекватно (с уровнем значимости « - 0.05), описываю;: ,ие интенсифицирующее воздействие оказываемое на оледенение водоводов опорными конструкциями пяти наиболее распространенных на практике типов.

4. Установлено, что опорные конструкции существенно интенсифицируют процесс.оледенения водовода. Степень оледенения водо-Еода возрастает в месте установки подвижных опор с поперечными опорными стойками в 1.6 - 3.4 раза, с продольными опорными стойками - в 2.1 - 4.1 раза, неподвижных опор при диаметрах труб от 100 до 150 мм - в 3.1 - 5.3 раза, при диаметрах труб от £00 до 300 мм - в 2.9 - 4.9 раза я неподвижных облегченных опор - в 2.1 -4.4 раза. 4 ■

5. Из уравнений регрессии следует, что в наибольшей степени оледенение''в месте установки всех-типов." опор интенсифицируется при неудовлетворительном, качестве их утепления. С уменьшением диаметра водовода интенсифицирующее воздействие опор всех типов на процесс оледенения возрастает. К статистически значимым.факторам относятся основные, геометрические . размеры опорной конструкции. Увеличение толщины,теплоизоляции трубы снижает скорость оледенения в месте установки опорной инструкции в меньшей степени, чем вне пределов ее теплового влияния. - Уменьшение интенсифицирующего воздействия опорных, конструкций по мере увеличения степени .: оледенетга выражено слабо. ■

6. Разра5отш:а штег^тичес^ модель оледенения водовода с учетом интенсифицирующего.воздействия опорной конструкции о-поперечники опорными стойками, , адекватно воспроизводящая объект исследований и выбран; ыетод построения разностных схем для решения сформулированной-задачи о замерзали на основе вариационного

подхода с применением криволинейной координатной сетки. Метод обеспечивает топсераатизность и абсолютную устойчивость разностных схем и в наибольшей степени отвечает особенностям рассматриваемой задачи о замерзании составного тела слозшой формы о существенной пространственно-временной неоднородностью теплофизи-ческих свойств, кассовым является водовод в месте установки оперной конструкции. Метод апробирован численным решением тестовой задачи о замерзании неоднородного цилиндра при граничных условиях третьего рода. •

7. Выполнены численные исследования процесса оледенения водовода с учетом интенсифицирующего воздействия опорной конструкции. Результаты численного моделирования с достаточной точностью-подтверждается результатами физического моделирования, при этом качественно воспроизводится ($орма границы фазового перехода. Тагам образом,- показана возможность "эффективного применения выбранного метода в княеяер1Шх и паучко-технических расчетах оледенения-водовода с учетом 'влияния опорной конструкции.

■ 8. Разработала методика ргючета. млякмалыгой допустимой температуры, води в водоводе, обесггачивкс^эн предотвращение его промерзания во вреда возможных перерывов в ее подаче и соблюдение основных нормативно-технических требований, предъявляемых к па-.раиетрам гидравлического и ледотермического режиков эксплуатации водовода. На ее основе установлено, что утепление опорных конструкций водоводов в условиях зкеплуатацш! позволяет более чем в 3 раза уменьши затраты тепловой энергии на подогрев воды, в 1.6 - 2.4 раза сократить продолжительность периода ее подогрева, понизить угрозу промерзания зодозода аа время, необходимое для обеспечения возобновления подачи воды по водоводу.

9. Наиболее элективным способом утепления опорных конструкций является напыление вспеленного полиуретана. Он обеспечивает снижение трудоемкости, повышение качества работ и долговечности утепления. При этом годовой технико-экономический эффект для одного из водоводов, эксплуатируемых в зоне БАМ, составляет 37 тыс. руб., приведенные затраты сокращаются на 7ZX. Удельный годовой технико-экономический эффект составляет (в ценах 1984 г) около 70 руб. на 1000 м3 подаваемой по водоводу воды.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Терехов Л.Д;, Акимов О.В., Юдин М.Ю. Автоматизация теплотехнических расчетов водоводов надземной прокладки//Передовые технологии водоснабжения и водоотведения Востока России: Межзуз. сб. науч. тр, - Хабаровск, ДГАПС, 1933. :

2. Терехов Л.Д., Красшпалов A.C., Юдин М.Ю. Автоматизация тепловых расчетов водоводов надземной прокладки/Л1ути улучшения использования к охраны водных. ресурсов на '. жэлезиодорсшюм транспорте: Межвуз. сб. научн. трудов/Днейропвтровский ин-т ют. к.д. транса., Днепропетровск, 1391. - С. 71 - 74. .

3. Юдин М. Ю., Лихацгаш П. В. Штеыатическое моделирование процесса промерзания водовода в месте установки опорной конструкции/Исследование систеы водоснабжения и водоотведения в Восточных районах страны: CQ. научи, тр./Хабаровский ин-т ши. ж.д. транспорта, 1990. - С. 18-19.

4. Путько A.B.. Юдин M.D. Поворотное.устройство для измерения толщины слоя льда.кл!{ отдозешш в трубопроводе: Информационный листок N 90-10. - Хабаровск: ЦНТИ. Ш'"-

.5. Лихацкий П.В., Юдин М.Ю. Автоматизированный расчет процесса промерзания водовода надземной прокладки в аварийных ситуациях с учетом интенсифицирующего воздействия опорных конструкций//Во-доснабжение и водоотведение на ж.д. транспорте: Межвуз. сб. научи. трудов/Ленинградский ин-т инк. к.д. трансп., 1989. - С. 54 -57.

6. Юдин М.Ю., Песчанский Г.Г. Меры по повышению надежности работы водоводов в зоне БАМаУ/Обеспечение надежности систем хоэяст-венно-питьевого водоснабжения: Материалы семинара ВДНП им. Ф.Э. Дзержинского. - М., 1389. - С. 75 - 79.

7. Терехов Л.Д., Юдин М.Ю., Песчанский Г.Г; Исследования теплоизоляции водоводов надземной прокладки на БАМ//СовершенстЕование• систем железнодорожного водоснабжения в районах-Дальнего Востока. в зоне БАМ и Забайкалья: Межвуз. cö. науч. тр./Хабаровский ;.и-т инд. ж. д. транспорта, 1933. - С. 32 - 34.

8. Устройство для определения толщины слоя льда: A.c. 11643379 СССР, МКИ3 Е 03 В 7/10/А.В.Путь ко, М. Ю.Юдин (СССР). - Опубл. 30.01.81, Вал. N 4.

Подписано к печати 11.05.31- г. Объем 1,56 п.л. Почать офсегнаа Бумага для ¡шогиг. апп. Фор па г 60x84 I/I6 Ткраа 100 экз.

_ЭаказJHJjt'U _ _ _Есспмтяол__________________

Теп. ПГУПС I9003I С-Пеюрбург, Иосковский пр.,9