CC BY
20
-------------------------------------------- © Е.Ю. Куликова, 2004
УДК 622.014.3:502.76 Е.Ю. Куликова
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССОБМЕНИОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТРАСС ТЕПЛОСЕТЕЙ С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
Моделирование взаимодеиствия трасс теплосетей с окружающей средой имеет целью выявление связей и взаимодействия элементов и компонентов внутри природно-технической системы «породный массив — технология — теплосеть» в динамике для дальнейшего прогнозирования критических ситуаций и определения таких значений параметров, которые характеризовали бы состояние системы как безопасное.
При этом первый элемент системы (породный массив) находится в состоянии сложной динамичной взаимосвязи с третьим (теплосеть). Второй элемент (технология строительства) является связующим звеном между всеми элементами, во многом определяющим характер взаимодействия между ними и поведения системы в целом на весь период существования
коммунального объекта. В силу постоянного изменения свойств и состояния отдельных элементов, а также характера их взаимодействия, система обладает ярко выраженной динамичностью.
Исследования показывают, что основным элементом окружающей среды, испытывающим динамические изменения от функционирования системы «массив — технология — теплосеть», является массив вмещающих сооружение пород. Опосредованно через массив это влияние передается и на другие компоненты природной экосистемы.
Основными факторами, определяющими состояние нашей системы, являются тепловлажностные и фильтрационные воздействия, а также химическая, электрохимическая и биологическая агрессии. Именно эти воздействия
Таблица 1
Основные теплофизические характеристики грунтов и материалов
Название веществ, грунтов и материалов Удельная теплоемкость, кДж/(кг*К) Теплопроводность, Вт/(м*К)
Суглинок 0,75 в зоне аэрации — 0,87; ниже уровня грунтовых вод (УГВ) — 1,7
Песок 0,85 в зоне аэрации — 1,1; ниже УГВ — 1,9
Пенополиур етан 0,038
способствуют развитию отказов и дефектов в обделках тоннеля, что снижает его техническую и технологическую надежность и наносит существенный урон окружающей среде (рис.
1).
Поэтому моделирование процессов тепломассообмена между теплосетью и окружающей средой дает ключ к исследованию динамики развития этих процессов и определение реальных значений параметров, поддержание которых обеспечивало бы безопасное функционирование системы и минимизацию ущерба для окружающей среды.
В общем случае вопросы тепломассопере-носа в подземных сооружениях рассматриваются в двух направлениях:
• влияние тепломассопереноса на микроклимат в сооружении. При этом основным условием нормальной эксплуатации подземных сооружений различного назначения считается оптимальное соответствие микроклимата в помещении требованиям санитарной гигиены и нормального течения технологических процессов;
• влияние теплообмена на деформации в несущих конструкциях и процессы во вмещающем массиве.
Однако качественная и количественная стороны этих процессов в массиве и несущих конструкциях подземных сооружений практи-
§ 5 20 -01
н 0 -I------------1-----1------1-----1------1-----1-------
-25 -20 -15 -10 -5 О 5 10
Температура наружного воздуха, град. С
--------В подающем трубопроводе
--------В отводящем трубопроводе
чески не изучена из-за недостаточной адаптации теории применительно к специфическим условиям коммунального строительства. Между тем, тепломассообменные процессы в рассматриваемой системе «массив — технология -
- сооружение» могут способствовать либо образованию дефектов в обделках, либо их само-залечиванию. Поэтому необходимо моделирование взаимодействия коммунальных тоннелей с окружающей средой (в данном случае — массивом пород) с позиций темпломасоперено-са.
Влага в коммунальный тоннель может поступать тремя различными путями: фильтрацией непосредственно подземных вод; миграцией воды и пара; миграцией пара. Интенсивные тепло-влажностные воздействия окружающей среды и нестационарность процессов переноса тепла и влаги в бетонных обделках вызывают их значительные потоки и, одновременно, изменение в несущих конструкциях коммунальных сооружений градиентов температуры и влажности. Это способствует возникновению структурных деформаций, снижению прочностных характеристик и долговечности бетонных обделок. Фазовые переходы влаги, сопровождающие тепломассоперенос в обделках, также способствуют деструктивным процессам в несущих конструкциях сооружений. В работе рассматривается два случая тепломассообмена тоннеля с вмещающим массивом: влияние дневной поверхности несущественно и задача тепловлагопереноса в окрестности сооружения становится осесимметричной; тоннель заложен вблизи дневной поверхности, что описывается двумерными уравнениями.
Для сооружений теплофикационного типа задача приобретает особый вид в связи с заметным локальным тепловым воздействием на геологическую среду на участках прохождения трасс проектируемых теплосетей.
Месяц
—О— Температура над теплотрассой на глубине 0.5 м —О—Температура без теплотрассы
Рис.3. Средняя температура грунтов
Оно выражается в нарушении естественного температурного режима в зоне прохождения трасс, влияющего на гидрогеологические и биоклиматические условия.
Для определения размеров зоны влияния и изменения температурного режима вблизи теплопроводов согласно методике Мосинжпректа [1] составлена математическая модель нестационарного кондуктивного теплопереноса. С этой целью моделируемая область 15x20 м разбита равномерной ортогональной сеткой с шагом 0,2 м. Теплофизические параметры грунтов (табл. 1) приняты по справочнику [2] для наиболее характерного геологического разреза.
Изменение температуры воздуха на поверхности по месяцам задавалось с помощью дополнительных тепловых сопротивлений в соответствии с данными табл. 1. Температура в теплопроводах задавалась как граничное условие 3-го рода в зависимости от температуры воздуха в соответствии с нормативными требованиями.
На нижней границе модели поддерживалась постоянная температура, равная 6°С. На боковых границах реализованы граничные условия 2-го рода. Задача решалась в два этапа. На первом — моделировалось распределение температур в течение года при естественных условиях, на втором — при эксплуатации проектируемой теплосети.
Как показывают результаты расчетов (рис.
2) строительство теплотрассы существенно изменяет естественный тепловой режим почво-грунтов в зоне прохождения трассы. Максимальное изменение средних температур грунта в зимнее время может достигать 10°С, при этом средние температуры сдвигаются в сторону положительных значений.
На рис. 3 показано влияние теплотрассы на температурный режим грунтов на глубине 0,5 м в течение года, наибольшее влияние наблюдается в холодный период
Максимальная зона теплового воздействия в плане, где температура отличается от естественной на 0,5°С, отмечается в зимний период на глубине заложения теплопроводов. Она протягивается полосой 13-15 м вдоль всей трассы.
Геометрия зоны максимального протаивания и распределение температур на этот период, который наступает в начале апреля, приводится на рис. 4
Опережающее протаивание грунтов на участках газонов и поверхностей с естественным покрытием может приводить к некоторому увеличению инфильтрационного питания в весенний период и увеличению амплитуды колебания уровня в водоносном горизонте. После завершения строительства, зеленые насаждения, расположенные в 13... 15 метровой полосе теплотрасс будут испытывать ее тепловое воздействие, стимулирующее более раннюю вегетацию.
Решение задачи тепломассообмена для теплосетей позволяет обеспечить наиболее рациональные и выгодные мероприятия инженерной защиты по трассе на основе прогноза области максимальной инфильтрации.
Практический интерес при этом представляет изменение режима промерзания и оттаивания грунтов в зоне теплосети. Сопоставление
Рис. 4. Схема прогнозного распределения температуры в зоне прохождения теплосети на период весеннего снеготаяния
данных моделирования 1-го и 2-го этапов позволило установить:
• максимальная величина промерзания над теплосетью уменьшается до 0,6 м, в естественных условиях она достигает 2 м;
• полное оттаивание грунтов над теплосетью начинается в начале марта (А?), раньше чем в естественных условиях, в которых полное оттаивание происходит в начале апреля;
• за период А? от начала полного оттаивания над теплотрассой до наступления оттаивания на окружающей естественной территории формируется зона талых грунтов шириною 13-15 м;
• в естественных условиях движение фронта оттаивания происходит с двух сторон -
- от поверхности и из глубины, в зоне теплосети преимущественно снизу к поверхности.
Эти результаты должны закладываться в проекты теплотрасс для того, чтобы тепловые потоки от теплосетей распределились равномерно и в надлежащий срок.
Только учет подобных требований позволит сохранить нормальный тепловой баланс в искусственной экосистеме «теплосеть — массив вмещающих пород — окружающая среда».
Описанная модель теплового и массового взаимодействия в системе «теплосеть — породный массив — окружающая среда» имеют целью обоснование и выбор таких технологий и способов строительства коммунальных объектов, которые наиболее полно отвечали бы условиям экологической безопасности при освоении подземного пространства городов.
----------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Отчет Мосинжпроекта 97-4010-0В0С170, ч.1, 2000
2. Куликова Е.Ю. Оценка работы коммунальных сооружений с позиций экологической безопасности. - Горный информационно-аналитический бюллетень №10. - М.: МГГУ, 2001, с. 21-26.
Коротко об авторах
Куликова Елена Юрьевна - доктор технических наук, профессор кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт», Московский государственный горный университет.
------------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ им. Г. В. ПЛЕХАНОВА
ГОЛИЦИН Сергей Вячеславович Обоснование рациональных параметров опор скольжения ленточных конвейеров в зоне загрузки 05.05.06 к. т. н.
