Тема 7 расчет ореола оттаивания вокруг подземного трубопровода

Подземные трубопроводы - мощные источники тепла, оказывающие большое влияние на температурное поле грунта. В результате температура вмещающей среды повышается, и она теряет прочность. На практике часто наблюдается деформация зданий, основания которых оказываются в зоне такого влияния. Особенно опасно распространение ореола оттаивания вокруг трубопровода под подошву фундаментов. Кроме того, образование больших ореолов оттаивания опасно и для устойчивости самого трубопровода, поскольку это может привести к его осадке или всплытию. Таким образом, расчет ореола оттаивания вокруг подземного трубопровода есть непременное условие при его проектировании.

Различают низкотемпературные и высокотемпературные трубопроводы. Первые рассчитывают исходя из образования стационарного температурного поля вокруг трубы, вторые - из нестационарного. К первому или второму виду трубопровод относят исходя из значения безразмерной температуры βt. Если βt≥0,2, то трубопровод относят к низкотемпературному виду.

Расчет ореола оттаивания вокруг низкотемпературного трубопровода

Глубину оттаивания ММП под центром трубы (рис. 7.1) определяют по формуле:

h_н = r_тр ·[(en + 1)/(en – 1)],

где h_н - глубина оттаивания под центром трубы, м;

r_тр – Радиус трубы, м:

m– отношение глубины заложения трубы h к ее радиусу r_тр;

n – безразмерный параметр.

Мощность мерзлого грунта над центром трубы h_b вычисляют по формуле:

h_b = r_тр ·[(en + 1)/(en – 1)],

Радиус ореола оттаивания вокруг трубы r_от находится по формуле

r_от = 0,5(h_н – h_в)

Для расчета смещения вниз центра ореола оттаивания по отношению к центру трубы используют формулу

∆_от = 0,5(h_н + h_в) – h,

n = 2πλ_тβtRt/ 1 + βt,

где λ_т – теплопроводность грунта в талом состоянии, Вт/м.°C;

βt – безразмерная температура, βt = -λ_мt_о/vλ_тtс

где λ_м – теплопроводность грунта в мерзлом состоянии, Вт/м. °C;

t_о – среднегодовая температура грунта на подошве слоя сезонного оттаивания, °C (вне застроенной территории принимается равной температуре грунта на глубине 10 м);

v – коэффициент, учитывающий работу теплопровода неполным сечением (определяется по табл.7.1, для напорных трубопроводов v = 1);

t_с – температура транспортируемой среды, °C;

Rt – термическое сопротивление теплопередаче, Вт/м. °C

Rt = 1/2πλ_т·ln(m +√m² - 1).

Определение ореола оттаивания вокруг высокотемпературного трубопровода

Глубины оттаивания ММП под центром и мощностью мерзлого грунта под центром h_н трубы определяют

h_н = (ξt – m – 1)* r_тр;

h_b = (h² - r_тр²)/h_н;

где ξt – безразмерная глубина оттаивания под центром трубы, определяемая по номограмме (рис. 7.2) и зависимости от параметров m,

βt и It;

It – безразмерное время: It = vλтt_cτ/4gfr²_тр

здесь τ – расчетный период, ч;

gf - удельная теплота таяния мерзлого грунта, Вт.ч/м³, рассчитывается по формуле

gf = g(W_c – W_н)ρ_с.м.

Радиус оттаивания r_от и величину смещения центра ореола оттаивания вниз по отношению к центру трубы ∆_от рассчитывают по формулам при подстановке вниз значений h_н и h_в.

Изложенная методика позволяет рассчитывать высокотемпературные трубопроводы (например, теплопроводы в невентилируемых подземных каналах). Для этого используют вышеперечисленные формулы, в которых за радиус трубы r_тр принимается эквивалентный радиус r_эк, за температуру среды t_c – температура высшей поверхности канала t_к, за глубину заложения трубы h – расстояние от дневной поверхности до оси канала. При этом v = 1. Величину r_эк определяют по формуле: r_эк = (h_к + b_к)/ π,

где h_к и b_к – высота и ширина канала, м.

Таблица 7.1

Значения коэффициента v

tо, °C	v при различной степени заполнения трубы(%)
	10	30	100
0 -2 -4 -6	0,80 0,75 0,70 0,66	0,95 0,85 0,80 0,77	1,0 1,0 1,0 1,0

Таблица 7.2

Значение температуры t_к

Глубина Заложения от верха канала, м	tк при различных размерах канала hк x bк (м)
	0,4x0,5	0,4x0,6	0,4x0,75	0,5x1,0	0,65x1,0	0,8x1,5
0,5 0,7 1,0 1,5	12/20 12/20 13/22 14/25	12/20 14/24 15/25 17/30	13/22 14/14 15/25 17/30	16/27 20/34 21/35 22/38	24/41 28/41 28/47 21/53	27/46 30/51 30/51 35/60

Температуру внешней поверхности канала, где прокладывается прямая и обратная магистрали теплопровода, определяют при помощи табл.7.2

Задачи

1. Рассчитать ореол оттаивания вокруг подземного канализационного коллектора, работающего неполным сечением (степень заполнения коллектора 30%). Радиус r_тр = 0,15 м; глубина заполнения коллектора h=1,5 м; температура воды (теплоносителя) t_c =9 °C; температура грунта tо = -2 °C; λ_t = 1,51 Вт/м. °C; λ_м =1,67 Вт/м. °C.

2. Рассчитать ореол оттаивания вокруг подземного нефтяного трубопровода, работающего сечением 50 % заполнения. Радиус r_тр = 1,5 м; глубина заполнения коллектора h =1.5 м; температура потока нефти t_c = 7 °C; температура грунта t_о = 0 °C; λ_t = 1,69 Вт/м. °C; λ_м =1,81 Вт/м. °C.

3. Определить ореол оттаивания вокруг подземного невентилируемого канала теплопровода размером 0.4x0,6 м, уложенного на глубине 1 м (считая до верха канала) h =1+0.2 = 1,2 м за 20 лет его эксплуатации: τ = 175200 ч. Параметры теплоносителя 70 – 95 °C. Грунт – суглинок с суммарной влажностью W_c =0,25; плотностью сухого мерзлого грунта ρ_с.м. = 1000 кг/м³; λ_t = 1,51 Вт/м. °C, λ_м = 1,69 Вт/м. °C, числом пластичности Ip = 0,13; влажностью на границе раскатывания W_p = 0,15; температура грунта t_о = - 0,7 °C.