CC BY
35
3/2011_МГСу ТНИК
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛОМАССО-ПЕРЕНОСА В МЕРЗЛЫХ ДИСПЕРСНЫХ ГРУНТАХ ПРИ ИХ ИСКУССТВЕННОМ ОТТАИВАНИИ
THE BASIC RESULTS OF SETTLEMENT-EXPERIMENTAL RESEARCHES THERMAL AND MASS CARRYING OVER TO A FROZEN DISPERSE GROUND AT ITS ARTIFICIAL THAWING
И.А. Суханов, A.A. Синицын, О.Ю. Никифоров I.A. Sukhanov, A.A. Sinitsyn, O.Y. Nikiforov
Вологодский государственный технический университет
В работе рассмотрены основные результаты моделирования процесса оттаивания мерзлых дисперсных грунтов для разработки новой установки, применяемой при ремонтно-строительных и аварийных работах.
The basic results on modeling of the process reflecting thawing of a frozen ground for working out of new installation, applied are considered at repair-building and emergency works.
Большое количество производственных процессов тепломассопереноса связаны с изменением агрегатного состояния различных материалов. Одним из таких процессов является оттаивание смерзшихся строительных материалов. Поиск новых технологических решений и систем оттаивания является весьма актуальной задачей в нашей стране в связи с ее суровыми природно-климатическими условиями. Так, практически вся территория России подвержена влиянию отрицательных температур, что создает дополнительные сложности для разработки грунтов, разгрузки твердого топлива при его транспортировке к потребителю, а также отогрева строительных конструкций и сооружений в зимний период.
Аналитический обзор работы [3] по существующим источникам научно-технической литературы и патентный поиск выявили разнообразные способы оттаивания мерзлых грунтов, подразделяющиеся в зависимости от источника тепла (электроэнергия, пар, газ, мазут, кокс, горячих шлаки и др.) и принципа действия (тепловое, химическое и др.). Анализ результатов обзора показал, что существующие методы имеют ограниченное применение вследствие высоких энергетических затрат и длительного времени, необходимого для отогрева (от пяти часов и более до нескольких суток), или же они неприемлемы из соображений безопасности при производстве некоторых видов работ (раскопка газовых, электрических сетей и др.).
Рассматривается проблема расчетно-экспериментального определения достоверного времени размораживания крупнодисперсного грунта с целью проектирования установки для быстрого и эффективного его осуществления. Знание более точного времени позволяет работникам предприятий обеспечивать энергосберегающую техно-
логию оттаивания грунта требуемых объемов и ускорить процесс, связанный с его разработкой в условиях отрицательных температур [3].
Процесс размораживания насыпных грузов, в отличие от других, это процесс теплопроводности с изменением агрегатного состояния одного из компонентов. Этот процесс описывают многие известные математические модели, решение которых основано на решении задачи Стефана. При этом механизм передачи тепла теплопроводностью зависит от физических параметров среды и связан с движением микроструктурных элементов и отличен для различных веществ. Решение задачи теплопроводности в каждом случае ориентировано на определенный тип однородного вещества. Насыпные материалы же являются неоднородными дисперсными средами. Дисперсные среды широко распространены в природе, технике и используются во многих технологических процессах. При этом насыпные грузы являются многокомпонентными и многофазными физико-химическими системами и состоят из множества частиц различной формы и размеров [4].
Известно, что оттаивание мерзлого грунта - это сложный термодинамический процесс, протекающий в неоднородной капиллярно-пористой среде, осложненный наличием фазовых переходов грунтовой влаги. При прогреве грунта под воздействием тепловой энергии происходит плавление льда, перераспределение образовавшейся при этом влаги и перемещение границы оттаивания. В работах [3, 4] приведено описание структуры мерзлого грунта, а также дан анализ существующих способов оттаивания.
В работе представлены основные результаты расчетно-экспериментальных исследований тепломассопереноса в мерзлых дисперсных грунтах при их искусственном оттаивании, проведённых сотрудниками Вологодского государственного технического университета в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
В настоящее время существует большое количество методик расчета прогрева мерзлых грунтов, однако наиболее приемлемой является модель, предложенная в работе [2]. В соответствии в работой [2], тепловая производительность установки для оттаивания песчаного строительного материала рассчитана по эмпирическим формулам, применяемым в расчетах при строительстве объектов в районах с вечной мерзлотой. Глубина оттаивания материала определялась по формулам:
рл {к - с > +
V 42
'й V 24 у
й, , (1)
2д.
2
й =
{
т
V
/
0,25--^№17,, (2)
42 = Г +
0,1" 27^)С2 "ЬС1 "*>^
(3)
Г = ™р, (4)
где ^ - глубина оттаивания, м; Х1, Х2 - коэффициенты теплопроводности мерзлого и талого материала, Вт/(м^К); с1, с2 - объемная теплоемкость мерзлого и талого материала, Дж/(м3^°С); 1а, 4, гп - начальная температура смерзшегося материала, температура фазового перехода, температура поверхности материала, соответственно, °С; г -
3/2011
ВЕСТНИК .МГСУ
теплота фазового перехода для льда, Дж/кг; р - плотность материала, кг/м ; ш - влажность материала в долях; т - время размораживания, с.
Глубина оттаивания смерзшегося материала также определялась по известной математической модели [1]. Закон перемещения границы раздела зон выражается следующей зависимостью:
(5)
Коэффициент пропорциональности Р является определяющим в зависимости толщины талой зоны от времени размораживания. Он характеризует скорость углубления протаивающего слоя и может быть записан в виде:
Р =
2А , — (toc - ts ) pr
(6)
1+
ClA(t,c ~ ts )
2pr
1/2
1/2
где toc - температура окружающей среды, °C.
Для выявления необходимой мощности и подтверждения экспериментальным путем расчетных параметров были проведены серии испытаний по промерзанию и оттаиванию различных видов грунтов. В качестве основных были использованы песок средней крупности и суглинок легкий. Для грунтов были определены физические свойства и классификационные показатели в соответствии с ГОСТ 25100-95 (2002), в том числе для создания условий проведения опыта, близких к реальным, определены максимальная плотность, оптимальная влажность и плотности в естественном залегании на глубине до 1,5 м.
Результаты экспериментальных исследований показали, что скорость оттаивания и производительность энергетической установки зависят от многих факторов: вида, структуры мерзлого грунта и его теплофизических свойств, климатических условий и характера поверхности грунта, объема оттаиваемого грунта и периодичности его удаления из котлована и т.д. Что касается последнего фактора, хочется отметить, что экспериментальные исследования по скорости оттаивания мерзлого грунта опытной установкой, проводимые в натурных условиях показали, что сильное влияние на скорость оттаивания мерзлого грунта оказывает характер удаления оттаявшей его части. При затратах энергии 1,3 кВт и площади оттаивания насыпного песчаного грунта получены обобщающие экспериментальные зависимости изменения глубины искусственного оттаивания грунта во времени.
Для лабораторных испытаний установки был разработан опытный измерительный комплекс, включающий лабораторный стенд и систему измерений и обработки информации. Основной сложностью измерения температурных полей распределения тепловой энергии в сплошной насыпной среде является организация размещения датчиков, съема и сохранения информации о параметрах температур. В качестве основного инструмента для измерения температурных полей в объекте моделирования выбрана система Celsius (система аналогово-цифрового преобразования измерений параметров различных сред). Система состоит из платы, датчиков и программного обеспечения для отображения и записи температурных данных на ПК. Система Celsius разрабо-
тана на кафедре «Теплогазоснабжения и вентиляции» и апробирована при исследовании тепловых потоков теплоэнергетических объектов и систем.
В ходе эксперимента определялся характер распределения тепловой энергии в объеме мерзлого грунта при его искусственном поверхностном радиационно-конвективном оттаивании. Производилось оттаивание мерзлого песчаного грунта плотностью 1600 кг/м3 и влажностью 30 .. 35 % при начальной температуре материала (-1.8) °С и средней температурой окружающего воздуха 22 °С.
Сформированная математическая модель теплопереноса в мерзлом грунте при поверхностном подводе тепловой энергии была апробирована с помощью экспериментальных исследований в натурных и лабораторных условиях. Сходимость результатов расчетных и экспериментальных исследований (см. рис. 1) позволила говорить о том, что выбранная модель прогрева грунта может быть использована при расчете тепло-производительности новой установки.
Зцчци |>11 ¡ш и л 1М*. чип
О - >Н№1фЦЫС1Г№Л.......................|Ш|\-рЙЫХ lLL4il.11 ш( И
о - №ПС|ШШСр№11|>ш4С »Швис (фН леЦьлфШ^ исг1(.;т;1Иняч --[уьи'и.1 гнав тэннО гищ. гь щ ИжЧ!Т1№С!№А ИоДЙ III
Рис. 1 - График измерения глубины промерзания
Зависимость глубины оттаивания Иот ко времени подвода тепловой энергии т может быть выражена следующей эмпирической зависимостью (7):
Ноп = К •г0•5, (7)
где К = /(КиК2,..КМ) - коэффициент, зависящий от вида грунта, мощности теплового источника, характера оттаивания и удаления талого грунта, условий окружающего воздуха и др.; т - время подвода тепловой энергии, ч.
Сравнение результатов расчетов по указанной эмпирической зависимости и результатов расчета, проведенных по инженерной методике расчета толщины талой зоны дисперсного материала от времени его размораживания, показал достаточную точность предлагаемой зависимости.
Температурные данные, полученные с помощью термодатчиков, были комплексно обработаны и систематизированы в матричный формат. Для наглядного представления и автоматизации процесса обработки данных разработчиками создана програм-
3/2011
ВЕСТНИК _МГСУ
ма ТегшоСиББ, реализующая динамическое распределение температурных полей в исследуемом объеме грунта. Результаты эксперимента приведены на рис.2.
Рис.2 - Изотермические поверхности распределения теплового потока в мерзлом грунте при его искусственном оттаивании: А - время оттаивания - 20 мин; Б - время оттаивания - 50 мин; В -время оттаивания - 100 мин; Г - время оттаивания - 150 мин
Полученные расчетно-экспериментальные зависимости искусственного оттаивания мерзлого грунта поверхностным радиационно-конвективным способом позволили составить общие требования к разрабатываемой установке по оттаиванию мерзлого грунта. На основании математической модели была определена мощность проектируемой установки. При оттаивании мерзлого грунта объемом 1,5 м2 за 4 часа с периодическим его удалением из котлована, требуемая теплопроизводительность составила 15 кВт, что в пересчете на расход сжиженного газа будет 1,17 кг/ч. Таким образом, математическое моделирование процессов тепломассопереноса в мерзлом грунте и последующая апробация модели в натурных и лабораторных условиях обеспечило формирование основных критериев и требований к созданию нового технического средства в соответствии с техническим заданием государственного контракта № 14.740.11.0485 от 01.10.2010 по теме «Разработка универсальной установки для испытания строительных конструкций и отогрева строительных материалов на основе комплексной методики активного теплосилового нагружения и неразрушающе-го контроля».
Список литературы
1. Лыков, A.B. Теория теплопроводности: учебник для вузов по теплотехническим специальностям / A.B. Лыков. - М.: Высшая школа, 1967. - 600 с.
2. Сагала, Т.А. Применение математических моделей нестационарной теплопроводности с фазовым переходом компонента в расчетах размораживания насыпного груза / Т.А. Сагала, М.М. Кологривов // Холодильная техника и технология. - 2008. - №3. - С. 46 - 51.
3. Синицын, А.А. Особенности построения математической модели процесса тепломас-сопереноса с фазовыми переходами в мерзлых дисперсных грунтах для их оттаивания радиаци-онно-конвективной установкой / Д.Ф. Карпов, А.А. Синицын, А.Ю. Вельсовский // Academia. Архитектура и строительство. М., 2010, С. 367 - 371.
4. Синицын, А.А. Расчётно-экспериментальные исследования распределения температурных полей при искусственном оттаивании мёрзлого грунта / Д.Ф. Карпов, А.А. Синицын, ДА. Белянский, А.Ю. Вельсовский // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. - Казань : Казанский гос. архитектурно-строит. ун-т, №2(14). -2010. С.149 - 155.
References
1. Lykov, A.V. Theory of heat conductivity: the textbook for high schools on thermal technical specialities / A.V.Lykov. - M: Higher school, 1967. - p.600.
2. Sagala, T.A. Application of mathematical models non-stationary heat conductivity with phase transition of a component in calculations of defrosting of a bulk cargo / T.A.Sagala, M.M.Kologrivov// Refrigerating technics and technology. - 2008. - №3. - p. 46 - 51.
3. Sinitsyn, A.A. Feature of construction the mathematical model of heat&mass transport process with phase transitions in frozen disperse grounds for their thawing by radiation-convective device / D.F.Karpov, A.A.Sinitsyn, A.J.Velsovsky//Academia. Architecture and building. M, 2010, p.367 - 371.
4. Sinitsyn, A.A. Settlement and experimental researches of distribution of temperature fields at artificial thawing of a frozen ground / D.F.Karpov, A.A.Sinitsyn, D.A.Beljansky, A.J.Velsovsky//News of the Kazan state architecture and building university. - Kazan: KSABU, №2(14). - 2010. p.149 - 155.
Ключевые слова: искусственное оттаивание, мерзлый грунт, тепломассоперенос, энергоэффективность, строительные работы
Keywords: artificial thawing, a frozen ground, thermal and mass carrying over, power efficiency, civil work
(8172)72-20-93 (доб.345) [email protected]
Рецензент: Домаков А.И., д.т.н., проф. кафедры физики Вологодского государственного педагогического университета
