РАЗДЕЛ 2
РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ И ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ ТЕПЛОТРАСС В ГРУНТЕ
В oснову проведенного аналитического исследования положено решение сопряженной задачи переноса теплоты в полуограниченном массиве окружающего теплотрассу грунта, выполненное с целью установления возможности создания теплометрического метода неразрушающего контроля общего состояния теплопроводов бесканального и канального видов прокладки.
Решение поставленной задачи осуществлено путем использования вычислительных программ, составленных согласно схем расчета тепловых и температурных полей теплотрасс в грунте.
2.1. Метод суперпозиции для задач теплопроводности грунтов, окружающих действующий теплопровод.
Теплообмен подземного теплопровода с окружающим его массивом грунта представляет собой сложный теплофизический процесс. С одной стороны тепловое поле, создаваемое теплопроводом, зависит от температуры теплоносителя, материала и толщины тепловой изоляции, глубины заложения прокладки и многих других конструктивных факторов, а также теплофизических характеристик окружающей среды.
С другой стороны, приповерхностный слой грунта, в котором проложена теплотрасса, имеет свое тепловое поле, отличающееся от собственного теплового поля Земли.
Результатом наложения этих полей является суммарное тепловое поле массива грунта, окружающего теплопровод, которое можно представить как суперпозицию полей трубопровода и массива Земли.
Поскольку можно принять, что тепловые условия на границе рассматриваемого массива, внутренние источники теплоты заданной интенсивности и теплофизические характеристики массива для данных условий эксплуатации тепловой сети постоянны и являются функцией только координат и времени, то основой решения сложной задачи теплообмена подземного теплопровода с окружающей средой может служить принцип суперпозиции [27]. Его применение оказалось возможным благодаря тому, что действие отдельных источников теплоты, расположенных на границе массива грунта и внутри его не зависит друг от друга. К источникам теплоты в данной задаче относятся температура окружающей среды, температура естественного массива Земли, а также теплопотери от теплоносителя, протекающего по трубопроводу.
Воздействие каждого источника в этом случае можно рассматривать отдельно, а конечный тепловой эффект находить, складывая алгебраически действие всех источников.
Ниже представлены результаты анализа действия всех тепловых источников, определяющих тепловые (температурные) поля исследуемых массивов грунтов с проложенными в них теплотрассами.
2.2. Постановка задачи теплопроводности для определения тепловых полей теплотрасс в грунте
При постановке задачи теплопроводности для определения тепловых полей вокруг теплотрасс бесканального и канального вида прокладки в грунте учтены следующие технические характеристики: диаметры подающего и обратного трубопроводов dн1 и dн2, толщина их теплоизоляционной конструкции ?1 и ?2, глубины заложения трубопроводов до их оси h1 и h2, межцентровое расстояние k, а также температура теплоносителя, в подающем и обратном трубопроводах Т1 и Т2.
При этом принимаются постоянными и независимыми от температуры значения теплопроводности изоляции подающего и обратного трубопроводов ?из1 и ?из2, теплопроводность окружающего теплотрассу грунта ?гр, а также температура окружающей среды Тв и теплоотдача от поверхности грунта в атмосферу ?нп. Для теплопроводов канального вида прокладки принимаются постоянными также теплопроводность воздуха в канале трассы ?в.к, теплопроводность плиты перекрытия (стенки) канала ?ст.к, температура воздуха в канале Твк, теплоотдача от поверхности тепловой изоляции теплопроводов к воздуху канала ?н, теплоотдача от воздуха внутри канала к внутренней поверхности канала ?в.к и толщина плиты перекрытия канала ?ст.к.
Ниже представлены системы дифференциальных уравнений с соответствующими граничными условиями, определяющие перенос теплоты от теплоносителя двухтрубных теплопроводов бесканальной и канальной прокладки к окружающему наружному воздуху.
2.2.1. Тепловое поле теплопроводов двухтрубной бесканальной прокладки
Физическая модель и система координат решаемой задачи теплопроводности для теплопроводов двухтрубной бесканальной прокладки представлены на рисунке 2.1.
Рассматриваемые трубопроводы обладают незначительной толщиной стенок и высокой теплопроводностью их материала, в следствие чего перепадом температур в стенке трубы можно пренебречь.
Вследствие того, что в трубах имеет место развитое турбулентное течение с большой теплоотдачей от теплоносителя к внутренней поверхности трубы, температуру поверхности теплопровода можно принять равной температуре теплоносителя. Учитывая, что при работе тепловых сетей
Рисунок 2.1. - Физическая модель и система координат задачи теплопроводности для расчета теплового поля теплопроводов бесканальной прокладки
1 - подающий теплопровод; 2 - обратный теплопровод; 3 - теплоизоляция; 4 - массив грунта; h - глубина заложения теплопроводов; dн1, dн2,- наружные диаметры подающего и обратного теплопроводов, соответственно; ?1 ,?2 - толщина тепловой изоляции теплопроводов; k - межцентровое расстояние; T1 Т2 - температура теплоносителя в подающем и обратном теплопроводах, соответственно; Тв - температура окружающей среды; ?нп - теплоотдача от поверхности грунта в атмосферу; ?из , ?гр - теплопроводность изоляции и грунта, соответственно; Тгр - температура грунта на глубине заложения теплопроводов; Г1 , Г3 - границы раздела ,,поверхность трубы - поверхность изоляции,, , соответственно; Г2 , Г4 - границы раздела ,,поверхность изоляции - грунт,, , соответственно; Г5 - граница раздела ,,поверхность грунта - атмосфера,, .
градиент температур вдоль оси теплопровода значительно меньше, чем в радиальном направлении, исходную задачу переноса теплоты можно рассматривать как двухмерную.
Таким образом, полную теоретическ