CC BY
74
УДК 674.8
ПРИМЕНЕНИЕ АРБОЛИТА В КАЧЕСТВЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННО-БАЛЛАСТНОГО МАТЕРИАЛА ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО
ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
А. Н. Чемоданов1, Ю. А. Горинов1, Р. Г. Сафин2, С. Я. Алибеков1
поволжский государственный технологический университет, Российская Федерация, 424000, Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3 E-mail: [email protected] 2Казанский национальный исследовательский технологический университет, Российская Федерация, 420015, Казань, ул. К.Маркса, 68 E-mail: [email protected]
Обосновано применение арболита для тепловой изоляции и балластировки подводных теплопроводов. Выполнены расчёты устойчивости трубопровода и передачи теплоты через стенку трубопроводной конструкции, включающей стальную трубу в защитном полиэтиленовом кожухе с заполненным межтрубным пространством арболитом в качестве теплоизоляционно-балластного материала.
Ключевые слова: теплоизоляционно-балластное арболитовое покрытие трубопроводов; подводная прокладка теплопроводов; расчёт устойчивости; расчёт передачи теплоты через стенку.
Введение. Развитие современной техники невозможно без замены применяемых традиционных «чистых» материалов на композиционные материалы. В отличие от традиционных материалов, композиты обладают более широким спектром физико-механических свойств. Это позволяет применять материал с характеристиками, максимально отвечающими требованиям эксплуатации и экологической безопасности. К таким материалам относится арболит, который при установленном компонентном составе, помимо традиционного применения в виде строительного материала для малоэтажного строительства, может быть использован в качестве теплоизоляционно-балластного материала покрытия теплопроводов централизованного теплоснабжения при сооружении переходов через водные преграды. Потребность сооружения таких переходов возникает при наличии единой с одним источником тепла системы централизованного теплоснабжения населённого пункта, расположенного на противоположных берегах водоёма, либо необходимости объеди-
нения тепловых сетей, подключённых к различным источникам тепла в одну общую систему, с целью оптимизации и повышения надёжности теплоснабжения. Трубопроводная конструкция с арболитом, используемым в качестве заполнителя межтрубного пространства между стальной рабочей трубой и защитной полиэтиленовой оболочкой, отвечает требованиям по балластирующей способности, теплопроводности, прочности, надёжности, технологичности изготовления, ремонтопригодности и экологической безопасности.
Целью работы является обоснование применения разработанного композиционного арболитового материала, имеющего плотность 1160 кг/м3 и коэффициент теплопроводности 0,12 Вт/(м-К), в качестве теплоизоляционно-балластного материала подводной конструкции трубопроводов централизованного теплоснабжения [1].
Решаемые задачи: 1) проверка условия устойчивости данной подводной трубопроводной конструкции; 2) определение потерь тепла через стенку.
© Чемоданов А. Н., Горинов Ю. А., Сафин Р. Г., Алибеков С. Я., 2014.
Под устойчивым состоянием подводного трубопровода понимается такое состояние, при котором он будет находиться в покое в заранее заданном (проектом) положении при самой неблагоприятной комбинации нагрузок, стремящихся вывести его из этого положения [2].
В общем случае такими нагрузками являются: выталкивающая архимедова сила, горизонтальная и вертикальная составляющие гидродинамического воздействия потока. Для компенсации этих сил и воздействий используется собственная масса трубопроводной конструкции и заполняющего его перекачиваемого продукта, а также балластные устройства. Описание
Условные обозначения, при!
способов балластировки изложено в [3].
Самое неблагоприятное сочетание нагрузок имеет место, когда трубопровод не заглублён, т.е. находится на дне водоёма в траншее без засыпки грунтом. При обтекании потоком жидкости подводные трубопроводы подвергаются силовому воздействию потока и действию подъёмной силы Архимеда. При положении, когда трубопровод уложен в подводную траншею, засыпан грунтом и заполнен транспортируемым продуктом, число нагрузок, снижающих устойчивость трубопровода, значительно уменьшается
Для выполнения расчётов введём необходимые обозначения (табл. 1):
Таблица 1
гые в расчётах устойчивости
Символ Название Единица измерения
р плотность воды водоёма кг/м3
Р1 плотность теплоносителя кг/м3
р плотность материала стальной трубы кг/м3
Рз плотность теплоизоляционно-балластного арболитового покрытия кг/м3
Ра плотность материала защитной полиэтиленовой оболочки кг/м3
А внутренний диаметр стальной трубы м
А2 наружный диаметр стальной трубы - внутренний диаметр теплоизоляционно-балластного арболитового покрытия м
А3 наружный диаметр теплоизоляционно-балластного арболитового покрытия -внутренний диаметр защитной полиэтиленовой оболочки м
А4 наружный диаметр защитной полиэтиленовой оболочки м
сила тяжести трубопроводной конструкции с теплоносителем и балластом Н
РА выталкивающая сила Архимеда Н
N реакция опоры Н
ГТР сила трения покоя Н
РХ сила лобового сопротивления потока со скоростью V Н
РУ подъёмная сила потока со скоростью V Н
/тр коэффициент трения поверхности трубы о грунт -
s расстояние от трубопровода до дна траншеи м
^пов скорость потока на поверхности водоёма м/с
"дон скорость потока у дна водоёма м/с
коэффициент запаса устойчивости на сдвиг -
Ргр угол внутреннего трения грунта градус
П1 коэффициент перегрузки по весу трубопровода и конструкции -
П2 коэффициент перегрузки выталкивающей силы Архимеда -
Расчётная схема нагрузок и воздействий приведена на рис.1.
'пой
а)
полизтиленобая триба л Гд арболит
стальная трцба U
—>
Рис. 1. Расчётная схема нагрузок и воздействий на размещения трубопровода на дне водоёма;
В общем виде уравнение условия равновесия для трубопроводной конструкции, помещённой в водоём:
т§ + Рл + N + РТР + Рх + РУ = 0. (1)
Проекция сил на ось Х:
подводный трубопровод в траншее: а - общая схема б - схема сил, действующих на трубопровод
Ftp = UN (6)
4) составляющие гидродинамического воздействия потока определяются по формулам, в которых коэффициенты
FTP РХ °
Проекция сил на ось У:
-mg + Fa + N + РУ = 0.
(2) (3)
nmg = 4 к [аА2 + р2 D2 - D2) +
+Р3(D32 -D2) + рА(Dl -D32)]g;
(4)
2) выталкивающая сила Архимеда определяется по формуле:
FA = l n2Ag^D42;
(5)
C
Х,СУ характеризуют следующие виды
Силы, действующие на трубопровод: 1) вес трубопроводной конструкции складывается из веса транспортируемого теплоносителя, стальной трубы, теплоизоляционно-балластного покрытия и полиэтиленовой трубы:
сопротивлений: сопротивление трения, обусловленное касательными напряжениями, приложенными к поверхности обтекаемого трубопровода; сопротивление давления, обусловленное нормальными напряжениями, приложенными к поверхности обтекаемого трубопровода:
1 2
PX = 2 СХ Р D 4,
1 2
РУ = 2 СУ Р D 4 .
Из уравнения (2) следует: F = Р
1 ТР Х'
Из уравнения (3) следует:
N = mg - Fa - Ру.
(7)
(8)
3) сила трения трубопровода о грунт определяется по формуле:
(9)
Таким образом, устойчивость трубопроводной конструкции в пространстве определяется из условия:
Рх - FA - Ру )/Тр. (10)
В общем случае условие устойчивости единицы длины трубопровода с учётом коэффициента запаса устойчивости имеет вид:
Таблица 2
Расчётные характеристики уплотнённых влажных грунтов
"У.С.
Рх • ку,с < т - FA - Ру )/тр . (11)
Левая половина уравнения представляет собой горизонтальную сдвигающую силу, а правая половина уравнения - силу трения трубы о грунт.
Авторы [2,4-7], обобщая результаты выполненных ими опытов и исследований, рекомендуют принимать:
• коэффициент лобового сопротивления Сх = 1,2;
• в практических расчётах при касании трубопровода дна ^/0=0) коэффициент подъёмной силы Су = 0,6;
• коэффициент перегрузки по весу трубопроводной конструкции для двухтрубной конструкции с заполнением межтрубного пространства цементно-песчаным раствором п при диаметре трубы D < 600 мм равен 1,00, для трубы D)600 мм равен 0,95;
• коэффициент перегрузки выталкивающей силы Архимеда при диаметре трубы D < 700 мм для пресной воды равен 1,00, для трубы D > 700 мм равен 1,05;
• донную скорость потока (0,4 - 0,6) м/с от поверхностной скорости;
• коэффициент устойчивости кус равен 1,10 при диаметре трубы D < 600 мм и 1,15 при D)600 мм;
• наибольшее значение коэффициента трения поверхности трубы о грунт /ТР равно tg(ГР;
• наименьшее значение угла внутреннего трения грунта (ГР примем для глины, имеющей наименьшее значение по табл. 2.
Грунт рГР, градусы
Гравелистый песок 36...40
Песок средней крупности 33...38
Мелкий песок 30.36
Супеси 21.25
Суглинки 17.22
Глины 15.18
Торф 16.30
• среднюю скорость потока 5 км/ч. Используя приведённые выше расчётные формулы и рекомендации по определению составляющих, выполнены расчёты устойчивости подводных трубопроводов из труб различного типоразмера.
Данные о стальных электросварных прямошовных трубах, изготовленных по [ГОСТ 10704-91], применяемых для прокладки тепловых сетей, приведены в табл. 3.
Таблица 3
Трубы стальные электросварные прямошовные
Ду, мм Дн, мм 5, мм Масса, кг/п.м
50 57 3,0 4,00
70 76 4,0 7,10
80 89 4,0 8,38
100 108 5,0 12,70
125 133 5,0 15,78
150 159 5,0 18,99
200 219 6,0 31,52
250 273 6,5 42,64
300 325 7,0 54,90
350 377 7,0 63,87
400 426 7,0 72,33
450 480 7,0 81,65
500 530 7,0 90,28
600 630 8,0 122,72
700 720 8,0 140,50
800 820 9,0 180,00
900 920 9,0 202,20
1000 1020 10,0 249,10
1200 1220 10,0 298,00
Таблица 4 Трубы напорные из полиэтилена
Дн, мм 5, мм Масса, кг/п.м.
140 3,0 0,62
160 3,0 0,71
180 3,0 0,80
200 3,0 0,89
250 4,0 1,48
280 5,0 2,07
355 6,0 3,15
450 7,0 4,66
500 8,0 5,92
560 8,8 7,29
600 9,4 8,35
630 9,5 8,86
710 11,1 11,66
800 12,5 14,80
900 14,0 18,65
1100 17,5 28,48
1425 23,5 49,53
1425 23,5 49,53
1600 30,2 71,39
Данные о полиэтиленовых трубах, изготовленных согласно [ГОСТ 185992001], применяемых в качестве наружной защитной оболочки, приведены в табл. 4.
Толщина нанесённого на стальную трубу теплоизоляционно-балластного ар-болитового покрытия определяется как разность между внутренним диаметром полиэтиленовой трубы и наружным диаметром стальной трубы:
8 = рз - р2 .
(12) 2
С учётом этого, принимая плотность теплоизоляционно-балластного материала р = 1160 кг / м3, определяем массу арбо-литового покрытия.
Массу транспортируемого теплоносителя для каждого типоразмера стальной трубы принимаем согласно [8].
Результаты расчётов сведены в табл. 5.
Таблица 5
Расчёт массы теплоизоляционно-балластного покрытия и транспортируемого теплоносителя
Условный Теплоизоляционно-
диаметр балластное покрытие Масса
стальной толщина масса, теплоносителя
трубы, мм 5, мм кг/п.м кг/п.м
50 38,5 14,13 2,29
70 39,0 17,19 4,07
80 42,5 21,32 5,67
100 43,0 24,72 8,33
125 54,5 39,00 12,86
150 55,5 45,84 18,62
200 62,0 67,24 35,61
250 81,5 110,84 55,75
300 79,5 124,24 79,38
350 82,7 147,24 107,47
400 77,6 152,37 137,82
450 65,5 140,80 175,63
500 78,9 189,01 214,72
600 72,5 203,30 303,70
700 76,0 242,76 397,95
800 122,5 454,76 516,31
900 229,0 1017,87 651,49
1000 179,0 841,21 800,78
1200 159,8 888,63 1149,32
По формулам (4) и (5) определяем Таким образом, для всего принятого
вес трубопроводной конструкции и вели- ряда типоразмера труб условие отрица-чину выталкивающей силы Архимеда с тельной плавучести соблюдается. учётом коэффициентов перегрузки. Ре- Используя формулы (7), (8), (9), вы-
зультаты расчётов сведены в табл. 6. полним расчёт устойчивости (табл. 7).
Таблица 6
Расчёт веса трубопроводной конструкции и силы Архимеда с учётом коэффициентов перегрузки
Условный диаметр стальной трубы, мм Вес трубопроводной конструкции с коэфф. п1, Н/п.м Сила Архимеда с коэфф. п2, Н/п.м
50 206,42 150,9367
70 285,12 197,1418
80 354,79 249,5075
100 308,03 308,034
125 678,06 481,3031
150 838,95 603,7466
200 1349,10 970,4996
250 2098,28 1559,422
300 2594,18 1925,213
350 3196,75 2414,987
400 3638,18 2772,306
450 3992,02 3056,467
500 4712,57 3881,998
600 6006,60 5174,971
700 7454,30 6549,573
800 10992,85 9783,93
900 17903,63 16419,42
1000 18085,68 16419,42
1200 22435,17 20699,88
Таблица 7
Расчёт устойчивости подводного трубопровода
Условный диаметр стальной трубы, мм Сила лобового Подъёмная Горизонтальная Сила трения
сопротивления потока Рх, Н/п.м сила потока Ру, Н/п.м сдвигающая сила, Н/п.м трубы о грунт, Н/п.м
50 25,41 12,71 27,95 13,90
70 29,04 14,52 31,94 23,87
80 32,67 16,34 35,94 28,91
100 36,30 18,15 39,93 42,67
125 45,38 22,69 49,91 56,57
150 50,82 25,41 55,90 68,18
200 64,43 32,22 70,88 112,58
250 81,68 40,84 89,84 161,86
300 90,75 45,38 99,83 202,67
350 101,64 50,82 111,80 237,56
400 108,90 54,45 119,79 263,71
450 114,35 57,17 125,78 285,47
500 128,87 64,43 141,75 249,00
600 145,20 72,60 159,72 246,68
700 163,35 81,68 187,85 267.49
800 199,65 99,83 229,60 360,45
900 258,64 129,32 297,43 440,34
1000 258,64 129,32 297,43 499,51
1200 290,40 145,20 333,96 516,78
Рис. 2. Устойчивость трубопроводной конструкции в зависимости от действия сил: др - превышение силы трения трубы о грунт над горизонтальной сдвигающей силой
Графическое изображение с помощью программы Microsoft Office Excel устойчивости трубопроводной конструкции приведено на рис. 2.
Из выполненного расчёта следует, что условие устойчивости (11) соблюдается для всего ряда типоразмера стальных труб за исключением первых трёх позиций.
Исследуемая трубопроводная конструкция представляет собой цилиндриче-
скую многослойную трубу. Особенность теплопроводности через цилиндрическую стенку, как и через другие криволинейные ограждения, заключается в том, что при прохождении тепла поверхности входа и выхода теплового потока не равны. При распространении тепла изнутри трубы поверхность входа теплового потока меньше, чем поверхность его выхода [9-11]. Расчёты выполним, используя схему рис. 3.
Рис. 3. Схема передачи тепла теплопроводностью через многослойную цилиндрическую стенку
В формулах приняты следующие обозначения, представленные в табл.8.
Таблица 8
Условные обозначения расчёта передачи тепла
Символ Название Единица измерения
температура теплоносителя в трубопроводе К
tж 2 температура окружающей среды (грунтовой засыпки траншеи) К
коэффициент теплоотдачи со стороны теплоносителя к стенке трубы Вт/м2 К
«2 коэффициент теплоотдачи со стороны грунтовой засыпки траншеи Вт/м2 К
tc1 , tc2 , tc3 , tc4 температура на внутренней и наружной поверхности: стальной трубы, тепловой изоляции, защитной полиэтиленовой оболочки К
1 , ^2, 1 , I4 коэффициент теплопроводности стальной трубы, тепловой изоляции, защитной полиэтиленовой оболочки, засыпного грунта Вт/(м К)
d1 внутренний диаметр стальной трубы м
d 2 наружный диаметр стальной трубы - внутренний диаметр тепловой изоляции м
d3 наружный диаметр тепловой изоляции - внутренний диаметр защитной полиэтиленовой оболочки м
d 4 наружный диаметр защитной полиэтиленовой оболочки м
H толщина засыпки траншеи м
q плотность теплового потока Вт/м2
k коэффициент теплопередачи Вт/(м К)
коэффициент теплопроводности воды Вт/(м К)
V коэффициент кинематической вязкости м2/сек
а коэффициент температуропроводности м2/ч
w скорость теплоносителя в трубопроводе м/сек
l характерный линейный размер поверхности теплообмена м
Засыпной грунт траншеи является во-донасыщенным, следовательно, его температуру можно принять равной температуре воды водоёма.
При условии установившегося (стационарного) теплового состояния плотность теплового потока q через отдельные элементы конструкции равна [9-11]:
q = a1xD1(t^1 - tcl); q =
q =
K(tc1 - tc2) .
-U Di'
D1
K(X2 - tc3)___K(tc3 - tc4) .
1
-ta D3
q=
1
2^ d,
In D4
(13)
2^ d,
q = a 2^D4(tc4 - tX 2 ).
Из этих уравнений определяем частные температурные напоры по формулам:
а 1 Ч 1 , D2
t , - tл = --; tл -t2 = --1п —
ж1 с1 7~ч ' с1 с2 ^л 7~ч
к а1D1 к 2л1 D1
Ч 1 , D3
^2-^=к1пD2-; (14)
а 1 D4 а 1
t -1 =—-1п —•1 -1 =—-
с3 'с4 111 ' с4 1ж 2 •
к 2 л 3 D3 к а 2 D4
Сумма этих частных температурных напоров составляет полный температурный напор через конструкцию, который определяется по формуле:
Ж - ^ 2 = - (
1
1 1 d2
- +—In — +
к a1d1 d1
1 , d3
+-In — + -
2^ D 2X, d,
1 In Di+.
1
(15)
a 2 D 4
2 2 "^3
Следовательно, плотность теплового потока равна:
q =
- 2)
1
1
, d2
—+—ln-^ a1D1 2X
1
+
d1 2a,.
1n D3
+ -
1
1n D
D 2X? D,
+ -
1
(16)
a2 D4
Ъ1 2 2 ъ3
Коэффициент теплопередачи для трёхслойной стенки определяется по формуле:
k=1=
R
1
1
a1d1
1
+— 1 2^1
1n d
D
+ -
1
2A,,
-1П D3
+ "
1
1n D4
+ "
1
(17)
В общем случае для многослойной стенки трубы термическое сопротивление определяется по формуле:
R = 1 = k
1 п 1 , А+> 1
-+ У-ln—^ + -
«1d1 ^ dt
a2 D4
(18)
В общем случае коэффициент теплопередачи будет равен:
1 (19)
k =
1
1
-+ Z — ln ^
aa ,+12A,, dt
+ -
1
an D.
Чтобы определить температуры стенок tc1, tc2, tc3, tc4, значение qi из уравнения (16) подставляем в уравнение (14). Решая их, получаем:
q
tc1
1
Ka1D1
tc2 Ж (
1
1 1 D2,
v +-ln—),
к Ъ,Ц 2^, D,
q
tc3 Ж ('
1
к a1D1
+
11 1
, d2
ln — +
2Х, Ц
-u ц3),
2^ D'
tc3 ^ж1 (
1
1 1 Di
ч +-ln — +
к va1d1 2^1 d1
(20)
+
1
1 d3
-ln — +
2^2 d2 q
-Lln
2X, ц
t =t --(
c4 'ж1 V
1
+
к a1 D1 i d3
ln — +
+
1
D2
-ln — +
2^ ц
1
2^ d,
ln D).
2^ D,
Согласно системе уравнений (14), внутри каждого слоя трубопроводной конструкции температура изменяется по логарифмическому закону. Для многослойной стенки температурная кривая представляет собой ломаную кривую.
а2 d4
d2 2Х 3 d3
Определение коэффициента теплоотдачи со стороны теплоносителя к стенке трубы а1 и коэффициента теплоотдачи со стороны грунтовой засыпки траншеи а2 является задачей, решение которой возможно только экспериментальным способом. Распространять результаты экспериментов можно только на подобные между собой явления. Закон теплового подобия определяет условия, при которых геометрически и гидромеханически подобные системы подобны и в тепловом отношении. Критерием теплового подобия являются [10]:
1) критерий Рейнольдса, характеризующий отношение сил инерции и сил вязкости в потоке жидкости:
^I
Re =
v
(21)
2) критерий Пекле, характеризующий отношение конвективных и кондуктивных потоков тепла при конвективном теплообмене:
^I
Pe =
(22)
3) критерий Нуссельта, характеризующий интенсивность теплообмена на границе «жидкость - стенка»:
N4 = ^ , (23)
А
4) критерий Прандтля, характеризующий физические свойства жидкости:
Рг = £ = ^ (24)
ке а
Критериальное уравнение для определения теплоотдачи капельной или упругой жидкости при турбулентном режиме течения (Яе)104 ) имеет вид [10]:
Ш = 0,023Re0•8Pr0•4. (25) Коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы а1 определяется по формуле:
а, = 0,023 ^емРг°,4 . (26) 1 d
Для расчёта внешнего коэффициента
теплоотдачи а2 подводного трубопровода
применяем формулу Форхгеймера-
Власова [12]:
2Х.
а,,
d4 ln 2h f 2H > 2
-+ . - 1
d4 У lD 4 J
При H / D4 >1
а-,
2ХЛ
D ln
4H'
(27)
(28)
Авторами [9] опытным путём при оценочных расчётах установлено, что а, ))а2, и а2 для влажной глины можно принять - 1,5, для мокрого песка - 3,5.
По таблицам физических свойств воды при максимальной температуре теплоносителя в подающем трубопроводе 150°С находим Я = 68,4 •Ю-2Вт /(м • К),
V = 2,03 • 107 м2 / сек, а = 6,22 • 104 м2 / ч .
Критерий Прандтля рассчитываем по формуле (24):
Pr =
2,03 •Ю-1 • 3600 6,22 40-4
= 1,18. (29)
Результаты расчёта критерия Рей-нольдса по формуле (21) и критерия Нус-сельта по формуле (25) для каждого типоразмера стальной трубы сведены в табл. 9.
Таблица 9
Значение критериев Рейнольдса и Нуссельта в зависимости от условного диаметра стальной трубы
Условный диаметр стальной трубы Ду, мм Критерий Рейнольдса Re Критерий Нуссельта Nu
50 246305 505
70 344828 662
80 394089 736
100 492611 880
125 615764 1052
150 738916 1217
200 985222 1532
250 1231527 1832
300 1477833 2119
350 1724138 2397
400 1970443 2668
450 2216749 2931
500 2463054 3189
600 2955665 3690
700 3448276 4174
800 3940887 4645
900 4433498 5104
1000 4926108 5552
1200 5911330 6424
Таблица 10 Значение коэффициента теплопередачи а1 в зависимости от условного диаметра стальной трубы
Таблица 11
Плотность теплового потока трубопроводной конструкции
Условный Коэффициент
диаметр стальной трубы Ду, мм теплопередачи ах, Вт/м2 К
50 6914
70 6464
80 6294
100 6019
125 5756
150 5550
200 5240
250 5011
300 4832
350 4685
400 4562
450 4456
500 4363
600 4206
700 4079
800 3971
900 3879
1000 3798
1200 3662
Условный Плотность
диаметр теплового по-
стальной трубы тока Вт/м
Ду, мм
50 52,41
70 61,43
80 67,14
100 75,59
125 83,96
150 94,16
200 114,80
250 124,59
300 142,58
350 157,22
400 176,78
450 206,28
500 209,01
600 248,54
700 272,78
800 245,79
900 272,00
1000 240,20
1200 294,19
Коэффициент теплопередачи ах определяется по формуле (26), результаты расчётов сведены в табл.10.
Плотность теплового потока для трубопроводных конструкций принятых типоразмеров рассчитана по формуле (16) с использованием программы Microsoft Office Excel и сведена в табл. 11.
Таким образом, полученная в результате расчёта плотность теплового потока ниже нормируемых значений.
Выводы.
1. Физико-механические свойства разработанного композиционного материала арболита (плотность 1160 кг/м3 , коэффициент теплопроводности 0,12 Вт/(м-К)), позволяют его использование в качестве
теплоизоляционно-балластного материала подводных конструкций трубопроводов централизованного теплоснабжения [1].
2. Плотность теплового потока через стенку разработанной трубопроводной конструкции при расположении в воде ниже нормируемых значений.
3. Условие устойчивости данной подводной трубопроводной конструкции выполняется для трубопроводов, имеющих условный диаметр стальной трубы Ду > 100 мм.
4. При необходимости прокладки подводных трубопроводов Ду = 50, 70, 80 мм требуется дополнительная балластировка пригрузами весом более 14,05Н/п.м, 8,07Н/п.м, 7,03Н/п.м. соответственно.
Список литературы
1. Пат. 122746 Российская Федерация, МПК8
F16 L59/02. Труба централизованного теплоснаб-
жения для сооружения переходов через водные
преграды / Горинов Ю.А., Чемоданов А.Н., Али-
беков С.Я.; заявитель и патентообладатель: Феде-
ральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Марийский государственный технический университет». - № 2012122952/28; заявлено 04.06.2012; опубл. 10.12.2012, Бюл. № 34.
2. Бородавкин, П.П. Подводные трубопроводы / П.П. Бородавкин, В.Л. Березин, О.Б. Шадрин. - М.: Недра, 1979. - 415 с.
3. Соколов, Е.Я. Теплофикация и тепловые сети / В. Я. Соколов; 6-е изд., перераб. - М.: Издательство МЭИ, 1999. - 472 с.:ил.
4. Бородавкин, П.П. Подземные магистральные трубопроводы (проектирование и строительство / П.П. Бородавкин. - М.: Недра, 1982. - 384 с.
5. Основания, фундаменты и подземные сооружения / М.И. Горбунов-Посадов, В.А. Ильичев, В.И. Крутов и др.; Под общ.ред Е.А.Сорчана и Ю.Г.Трофименкова. - М.: Стройиздат, 1985. -480 с., ил.
6. Строительные конструкции нефтегазовых объектов / Ф.М. Мустафин, Ю Л.И. Быков, В.Н. Мо-хов и др. - СПб.: ООО «Недра», 2008. - 780 с.
7. Тугунов, П.И. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации нефтебаз и нефтепроводов / П.И. Тугунов, В.Ф. Новоселов, А.А. Коршак, А.М.Шаммазов; Изд. 2-е, переработанное. - Уфа: ООО «ДизайнПолиграфСервис», 2002. - 658 с.
8. Николаев, А.А. Справочник проектировщика. Проектирование тепловых сетей / А.А. Николаев. - М.: Стройиздат, 1965. - 359 с.
9. Михеев, М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева; Изд. 2-е, стереотип. М.: «Энергия», 1977. - 344 с.
10. Швец, И.Т. Общая теплотехника / И.Т. Швец. - М.: Машгиз, 1961. - 463 с.
11. Коротких, А.Г. Теплопроводность материалов / А.Г.Коротких; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. - 97 с.
Статья поступила в редакция 09.10.13.
Ссылка на статью: Чемоданов А. Н., Горинов Ю. А., Сафин Р. Г., Алибеков С. Я. Применение арболита в качестве теплоизоляционно-балластного материала подводных трубопроводов централизованного теплоснабжения // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Сер.: Лес. Экология. Природопользование. - 2014. - № 3 (23). - С. 43-56.
Информация об авторах
ЧЕМОДАНОВ Александр Николаевич - кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой деревообрабатывающих производств, Поволжский государственный технологический университет. Область научных интересов - технология и оборудование лесопромышленных складов, оборудование деревообрабатывающих производств, сушильные камеры периодического действия. Автор более 120 публикаций.
E-mail: [email protected]
ГОРИНОВ Юрий Аркадьевич - аспирант кафедры деревообрабатывающих производств, Поволжский государственный технологический университет. Область научных интересов - древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки, трубопроводный транспорт энергоносителей. Автор 17 публикаций.
E-mail: [email protected]
САФИН Рушан Гареевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой переработки древесных материалов, Казанский национальный исследовательский технологический университет (КНИТУ). Область научных интересов - исследование тепло-массообменных процессов; разработка энергосберегающих безотходных технологий и оборудования. Автор более 300 публикаций.
E-mail: [email protected]
АЛИБЕКОВ Сергей Якубович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой машиностроения и материаловедения, Поволжский государственный технологический университет. Область научных интересов - материаловедение и технологии современных и перспективных материалов. Автор более 200 публикаций.
E-mail: [email protected]
USAGE OF WOOD CONCRETE AS THERMAL INSULATION-BALLAST MATERIAL
OF UNDERWATER PIPELINES OF THE CENTRALIZED HEATING SYSTEM
А. N. Chemodanov1, Yu. А. Gorinov1, R. G. Safin2, S. Ya. Аlibekov1 :Volga State University of Technology, 3, Lenin Sq., Yoshkar-Ola, 424000, Russian Federation E-mail: [email protected] 2Kazan National Research Technological University 68, K-Marks St., Kazan, 420015, Russian Federation E-mail: [email protected]
^y words: thermal insulation and ballast pipeline coating; underwater construction of heat pipes; stability calculation; calculation of heat passage through the wall.
ABSTRACT
New technique development is impossible without composite materials. By means of the optimum selection of the components, it is possible to obtain the best physical and mechanical properties of the materials. Wood concrete belongs to such materials. It can be used both for buildings construction and for underwater construction of heat pipes. Pipeline consists of a steel pipe in the plastic protective cover and tube space, filled with wood concrete. The goal of the research is to ground the usage of a new wood concrete composite with 1160 kg/m3 density and with the coefficient of heat conduction of 0.12 W/mK as a cover of underwater pipelines of the centralized heat supply. With this end in view, a test of stability was carried out and the waste of heat through the wall was defined. Results. The calculations showed the following: underwater pipe construction has a negative buoyancy and stable position in the soil, waste of heat is less than the normalized value. Based on these results, it was concluded that the elaborated wood concrete composite has the necessary properties to be used as thermal insulation and ballasting of underwater pipelines.
REFERENCES
1. Gorinov Yu.A., Chemodanov A.N., Alibe-kov S.Ya. Truba tsentralizovannogo teplosnabzheniya dlya sooruzheniya perekhodov cherez vodnye pregrady [A Pipe of Centralized Heat Supply to Construct Water Crossing]. Patent RF, no 122746 2012.
2. Borodavkin P.P., Berezin V.L., Shadrin O.B. Podvodnye truboprovody [Subwater Pipelines]. Moscow: Nedra, 1979. 415 p.
3. Sokolov E.Ya. Teplofikatsiya i teplovye seti: 6-e izd., pererab. [ District Heating and Heat Network: 6d edition, improved]. Moscow: MEI publishing house, 1999. 472 p.:illustrated.
4. Borodavkin P.P. Podzemnye magistralnye truboprovody (proektirovanie i stroitelstvo) [Subwater Main Pipelines (engineering and construction)]. Moscow: Nedra, 1982. 384 p.
5. Gorbunov-Posadov M.I., Ilichev V.A., Kru-tov V.I. et al. Osnovaniya, fundamenty i podzemnye sooruzheniya: pod obshch.red. E.A.Sorchana, Yu.G.Trofimenkova [Foundation and Underground Constructions :under the general editorship of E.A.Sorchan and Yu.G.Trofimenkov]. Moscow: Stroyizdat, 1985. 480 p., illustrated.
6. Mustafin F.M., Bykov L.I., Mokhov V.N.,
et al. Stroitelnye konstruktsii neftegazovykh obektov [Building Structures of Oil and Gas Facilities]. Saint-Petersburg: LLC «Nedra», 2008. 780 p.
7. Tugunov P.I., Novoselov V.F., Korshak A.A., Shammazov A.M. Tipovye raschety pri proektirovanii i ekspluatatsii neftebaz i nefteprovodov: izd.2e, pere-rabotannoe [Routine Calculations in Designing and Exploitation of Oil Plants: 2d edition, improved]. Ufa: LLC «Dizayn Poligraf Servis», 2002. 658 p.
8. Nikolaev A.A. Spravochnik proektirovshchika. Proektirovanie teplovykh setey. [A Guide of a Designer. Designing of Heat Networks]. Moscow: Stroyizdat, 1965. 359 p.
9. Mikheev M. A., Mikheeva I. M. Osnovy tep-loperedachi. Izd. 2-e, stereotip [Heat-Transfer Principles^ edition, stereotipical]. Moscow: "Energiya", 1977. 344 p.
10. Svets I.T. Obshchaya teplotekhnika [General Heat Engineering]. Moscow: Mashgiz, 1961. 463 p.
11. Korotkikh A.G. Teploprovodnost materialov [Thermal Conductivity of Materials: study guide]. Tomskiy politechnicheskiy universitet [Tomsk Polytechnical University]. Tomsk: Publishing house of Tomsk Polytechnical Univesity, 2011. 97 p.
The article was received 09.10.13.
Citation for an article: Chemodanov A.N., Gorinov Yu.A., Safin R.G., Alibekov S.Ya. Usage of wood concrete as thermal insulation-ballast material of underwater pipelines of the centralized heating system. Vestnik of Volga State University of Technology. Ser.: Forest. Ecology. Nature Management. 2014. No 3(23). Pp. 43-56.
Information about the authors
CHEMODANOV Alexander Nikolayevich - Candidate of Technical Sciences, Professor, Head at the Chair of Woodworking Industry, Volga State University of Technology. Research interests - technology and equipment of forest industrial warehouses, equipment of woodworking industry, intermittent kilns. The author of more than 120 publications.
E-mail: [email protected]
GORINOV Yuriy Arkadiyevich - Postgraduate student (PhD student) at the Chair of Woodworking Industry, Volga State University of Technology. Research interests - wood technology, technology and equipment of wood industry, pipe transport of energy sources. The author of 17 publications.
E-mail: [email protected]
SAFIN Rushan Gareevich - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head at the Chair of Wood Materials Manufacturing, Kazan National Research Technological University. Research interests - study of heat and mass exchange processes; development of energy-saving non-waste technologies and equipment. The author of more than 300 publications.
E-mail: [email protected]
ALIBEKOV Sergey Yakubovich - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head at the Chair of Machine Construction and Material Science, Volga State University of Technology. Research interests - material science and technologies of modern and perspective materials. The author of more than 200 publications.
E-mail: [email protected]
