книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера

3. Программа «КРИОС» ГПИИ «Фундаментпроект». Реше­ на трёхмерная задача. Программа с хорошим выходом. Позволя­ ет решать широкий круг задач со сложными начальными гра­ ничными условиями и внутренними источниками тепла в рас­ сматриваемом полупространстве.

С помощью этих программ можно решать любой сложности нестационарные задачи теплового взаимодействия системы «ат­ мосфера - сооружение - основание».

Наряду с этим, при разработке проектов зачастую, возника­ ет необходимость в использовании методов расчёта с помощью известных аналитических формул.

Теплофизические расчёты индивидуальных СОУ Обобщённая методика решения тепловых задан процесса замораживания и охлаждения грунтов с помощью СОУ

Обобщённый метод решения тепловых задач для системы «атмосфера - СОУ - грунты» основан на использования понятия аффективного коэффициента теплоотдачи тепловых труб. Эф­ фективный коэффициент теплоотдачи выражается формулой:

но от внутренней поверхности грунтового теплообменника к теплоносителю, от теплоносителя к внутренней поверхности наружного теплообменника и от наружной поверхности по­

ности теплообменника; At„ - разность средних температур рабо­ чего вещества в грунтовом и наружном теплообменнике; - плотность теплового потока на стенке грунтового теплообмен­ ника.

Эффективный коэффициент теплоотдачи для СОУ рассчи­ тывается в зависимости от конструкции, вида теплоносителя, среднегодовой температуры наружного воздуха, солнечной ра­ диации. В частности, для парожидкостных СОУ в практических расчётах можно принимать аэф=а,юр, так как основным терми­ ческим сопротивлением переносу тепла от грунта к наружному воздуху является сопротивление наружного теплообменника.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 2 6 2 - объектов в условиях Севера

Исходными данными для расчета являются:

•эффективный коэффициент теплоотдачи, азф,

•наружный диаметр грунтового теплообменника, d,

•шаг между СОУ, €;

•коэффициент теплопроводности мёрзлого грунта, X/,

•теплоемкость мерзлого грунта, с/;

•суммарная влажность грунта, W,ol;

•плотность мерзлого грунта, р;

•удельная теплота фазового перехода, L0;

•теплота фазового превращения на 1 м3 грунта Ф;

•среднегодовая температура воздуха, 7^,;

•амплитуда сезонных колебаний температуры, Ат1;

•начальная температура грунта, Г<>„;

•время работы СОУ, t;

•коэффициент температуропроводности мёрзлого грунта, о;

•характерный размер R = 3;

На основании указанных данных вычисляются определяю­

Числа: L - t /R; 6 гр - Т0п/ ТаМ; 0 а = Ав / Тош,- Нн = 1+ с/р

Таш/Ф;

R, - d/2 R

На основании теоретических, экспериментальных и натур­ ных исследований работы различны видов СОУ с различными теплоносителями рекомендованы следующие уравнения для

зимний период от действий СОУ при рядовом расположении с

Практика использования жидкостных СОУ показала, что температура жидкости при движении её по внутренней трубе изменяется незначительно. Разность температур в грунтовом и наружном теплообменниках при этом можно принять А/,, = 0.

Установлено также, что для эффективной работы жидкост­ ных СОУ достаточно принять соотношение Fsp/F„aP - 1, тогда

а„ар - рассчитывается в зависимости от конструкции тепло­ отдающей поверхности. Для наших расчётов примем равным 15 Вт/м2К

В парожидкостных СОУ определяющей характеристикой является коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности конденсатора в атмосферу. Теоретическими, эксперименталь­ ными и натурными исследованйями установлено, что для паро­ жидкостных СОУ, с высокой точность для практических расчё­ тов, можно принять

Пример 1

Рассчитать радиус замороженной зоны вокруг жидкост­ ного СОУ. Конструкция СОУ коаксиального типа приведена на рис 13.18.

Расчет выполним для климатических условий г. Мирный Республика Саха.

Механнка мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых ‘2 6 4 - объектов в условиях Севера

J, Кор пу с- внешняя трубо

2Вннутоеняя т р у б о

3Оревренные трубы теплооБменнико

4 Струенапровляоцее у с т р о й с т в о

5 Зорядное устройство

6 Нижний коллектор

7 Верхний коллектор

8 Направление движения теплоносителя

Рис. 13Л8. Схема жидостного СОУ коаксиального типа для замораживания грунта.

Исходные данные:

-среднегодовая температура воздуха Та„= -7,6 °С

-амплитуда сезонных колебаний температуры Ааи, = 24,6°С;

-начальная температура грунта, Т0п- 0°С

коэффициент теплопроводности мёрзлого грунта Xf = 2,0 Вт/мК

-теплоёмкость грунта С/=1156Дяс/кгК

-суммарная влажность грунта W,ot = 20%

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 2 6 6 - объектов в условиях Севера

Радиус замороженного грунта определяем по формуле (13.22):

гш = 1,52 • 0,573°‘27 = 1,31л*.

Пример 2

Рассчитать радиус замороженной зоны вокруг парожид­ костного СОУ. Конструкция СОУ приведена на рис. 13.19.

- наружный диаметр стальной трубы СОУ d „ар= 33,7мм, длина Юм.

- время работы СОУ t - 19,44 • 106 час. - теплоносительаммиак.

Климатические параметры и теплофизические характери­ стики грунтов такие же, как в примере 2.

Расчёт коэффициента теплоотдачи в атмосферу от конден­ сатора парожидкостного СОУ проведём по критерию Нуссельта для потоков тепла.

По значению числа Нуссельта определяется коэффициент теплоотдачи конденсаторов с поперечным оребрением обтекае­

где d - диаметр испарителя СОУ, м;

Критерий Нуссельта оребрённой трубы по схеме рис.13.19 при поперечном обтекании воздухом определяем по формуле:

5,0 м/сек;

у- коэффициент динамической вязкости воздуха, например при минус 20°С,

у= 12,79- W V /сек; Х=2,28-10'2

Например, при минус 20°С подставляя исходные данные в

РисЛЗЛ9. Конденсатор.

1 -стальная труба конденсатора; 2 - алюминиевое оребрение.

N u ds = 0,105 (0,0365/0,0025)ом (0,0305/0,0025)-°м 14270-72 =

5,83; при v = 0,5м/сек

Nu * » 0,105 (0,0365/0,0025)ом (0,0305/0,0025) 14270 °‘ п

— 55,5; при v = 5м/сек

Коэффициент теплоотдачи о. = NuX /d

^Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых

-268- объектов в условиях Севера

Рдиус замораживания грунта вокруг одиночной парожид­ костной СОУ рассчитаем по формуле 13.31. Для этого опреде­ лим значения входящие в формулупри а3ф= анар - 34,3 Вт/м^С

В-, = 34,6 * 0,0337/2,0 = 0,583 F0 = 0,0044 * 8760/32 = 4,28

К0 = 102,6*106 /1156*2090 = 4,25 е гр = 24,6 /7,6 = 3,24

= 1,8* 0,583 0125 *( 4,28/ 4,25)0 88 * 3,24-°17 = 1,3м.

Впримерах расчёта замораживания грунтов жидкостными

ипарожидкостными СОУ мы получили значения радиусов рав­ ными 1,3 м.

При этом надо учесть, что соотношение диаметров жидко­ стных СОУ составляет:

dM/ d„x = 0,159/ 0,0337 = 4,7 .

Теплофизическиерасчёты горизонтальных «ГЕТ» и верти­ кальных систем «ВЕТ» температурной стабилизации грунтов оснований

Под зданиями с большими нагрузками на пол, как правило, это здания большой ширины (более 20м), для сохранения грун­ тов основания в вечномёрзлом состоянии на период строитель­ ства и эксплуатации применяются охлаждающие устройства в виде систем труб. Трубы укладываются в насыпи горизонтально поперёк здания и объединяются общим коллектором. В зимний период через трубчатую систему продувается холодный воздух естественной или принудительной вентиляцией. Широкое при­ менение получили системы замкнутого цикла, состоящие из го­ ризонтальных «'ГЕТ» или вертикальных «ВЕТ» тепловых труб, заправленные двухфазным теплоносителем. По сути системы «ГЕТ» и «ВЕТ» являются сезоннодействующими охлаждающи­ ми устройствами (СОУ).

Над охлаждающими трубами укладывается слой теплоизо­ ляции для обеспечения нормированной положительной темпе­ ратуры на полу здания. Толщина подсыпки, толщина теплоизо­

IX Методы температурной стабилизация грунтов оснований зданий ^сооружений______________________________________________________________- 1 Ь у -

ляции, расстояние между трубами, их диаметр, режим работы определяется теплотехническим расчётом.

Теплотехнический расчёт проведём по методике Порхаева Г.В.

1. Глубина заложения охлаждающих труб, считая, от от­ метки поверхности пола помещения при отсутствии эффектив­ ной теплоизоляции определяется по формуле:

« вА ^„ где Т;„ - температура воздуха внутри помещения, °С; АТ -

перепад температуры внутри труб; Т"ах - температура воздуха наиболее холодного месяца, °С; ав- коэффициент тепловосприятия охлаждаемого грунта, Вт/м2К ; АТ„ - нормируемый темпера­ турный перепад между температурой воздуха в помещении и поверхности пола; d - диаметр охлаждающей трубы, м; Ли ,л коэффициент теплопроводности грунта подсыпки, Вт/м. К.

2. При наличии эффективной теплоизоляции толщиной §из глубина заложения охлаждающих труб будет:

hou3 - ho~ <5ад/Л,о, (13.29) где Лга - коэффициент теплопроводности материала тепло­

изоляции, Вт/мК.

Для систем «ГЕТ» и «ВЕГ» экспериментально установлено, что температурный перепад {АТ) при достижении стационарно­ го состояния по длине трубы протяжённостью 400м составляет 1- 2,°С. Нормированный температурный перепад в производст­ венных помещениях принимается ATin = 2,5, °С; в жилых поме­ щения ATt„ =5 °С.

Пример 3

Определим глубину заложения труб d = 33,7мм системы <гГЕТ.» при наличии слоя теплоизоляции над охлаждающими трубами из материала «Пеноплекс» с коэффициентом теплопро­ водности Хт- 0,033 Вт/мК, толщиной 50мм.

Температура воздуха в, производственном помещении Ti„= + 22°С; коэффициент восприятия грунта подсыпки примем равным а*, = 5 Вт/м2К, Хпц, —1,0 Вт/м К.