2978

На правах рукописи

Веселов Николай Павлович

НАДЕЖНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ

05.23.03.-Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2002

РАБОТА ВЫПОЛНЕНА В НИЖЕГОРОДСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

Научный руководитель

Доктор технических наук, профессор В. И. Бодров

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Б. В. Моисеев, Кандидат технических наук, доцент А. В. Китайцев

Ведущая организация

Филиал ОАО «Верхневолжские магистральные нефтепроводы» - Горьковское районное нефтепроводное управление (ОАО BMH ГРНУ)

603 950, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65, корпус 5, аудитория 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Наблюдаемый в настоящее время и прогнозируемый на перспективу рост цен на энергоресурсы, ужесточение требований к охране окружающей среды выводят в приоритетное направление в строительной отрасли повышение надежности вновь строящихся, и находящихся в эксплуатации инженерных систем жизнеобеспечения. Опыт эксплуатации систем жизнеобеспечения свидетельствует о недостаточной изученности природных воздействий на них, что влечет за собой снижение надежности их эксплуатации, выражающейся в повышении энергоемкости, Аварийности, снижении сроков эксплуатации, отклонении эксплуатационных параметров от расчетных и т.д. Эти факторы, в конечном счете, приводят к неоправданному повышению энергоемкости систем жизнеобеспечения. Принятый в стране Федеральный Закон «Об энергосбережении", доктрина РФ по экологической безопасности на первый план выводят вопросы комплексного решения энергоэффективности и надежности инженерных систем жизнеобеспечения, заключающиеся в снижении отрицательного влияния систем на окружающую среду.

Повышение требований к надежности и экологической безопасности инженерных систем жизнеобеспечения населенных пунктов включает в себя неотъемлемой частью решение сложных задач динамики взаимодействия подземных систем с сезоннопромерзающим фунтом, к ним относятся качественный и количественный анализ теплового режима подземных и наружных систем, разработка новых подходов к конструктивным, объемно-планировочным и теплофизическим характеристикам зданий и сооружений. Создание, поддержание и управление параметрами надежности и экологической безопасности инженерных систем жизнеобеспечения населенных пунктов является специфической и недостаточно изученной сферой применения теории тепломассопереноса в системах «сезоннопромерзающий грунт - подземная инженерная система», «наружный воздух — инженерная система», «наружный воздух — подземное или надземное здание».

Целью работы является научное обоснование и уточнение методов и средств повышения эксплуатационной надежности и экологической безопасности инженерных систем жизнеобеспечения путем выявления особенностей динамики тепломассообменных процессов между системами и сооружениями с окружающей средой при минимуме энергозатрат.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

-обоснование и разработка физико-математической модели тепломассопереноса и численная оценкатекущей глубины промерзания грунта с учетом фактора фазовых переходов воды (лед - жидкость) в сезоннопромерзающем фунте;

-выявление и уточнение расчетных закономерностей температурных полей в стационарных условиях в сезоннопромерзающих грунтах вокруг теплопроводов;

-разработка уточненной методики расчета теплового режима нефтепродуктопроводов и нефтехранилищ;

-уточнение физико-математической модели формирования температурновлажностного режима воздухопроницаемых ограждающих конструкций при поровой фильтрации и инженерной методики их теплофизического расчета;

-обоснование методики расчета снижения энергоемкости перекачки нефтепродукции с учетом конструктивных, объемно-планировочных решений по прокладке трубопроводов и теплофизических характеристик фунтов;

-натурное подтверждение достоверности инженерных методик и практических результатов,полученныхвпроцессевыполненияисследований.

Научная новизна работы заключается в уточнении расчетных зависимостей текущей глубины сезоннопромерзающего фунта с учетом фазовых переходов воды (лед — жидкость); в численном решении задачи нахождения текущих температур внутренних поверхностей и внутреннего воздуха в неотапливаемых подземных и обсыпных сооружениях, имеющих различные объемно-планировочные решения и технологическое оборудование с оценкой погрешности полученных решений; в установлении закономерностей формирования температурных полей в стационарных и нестационарных условиях в фунтах вокруг теплопроводов и нефтепродуктопроводов; в

разработке уточненной физико-математической модели формирования температурновлажностного режима воздухопроницаемых ограждающих конструкций при поровои инфильтрации и эксфильтрации воздуха и инженерной методики их энергосберегающего теплофизического расчета; в разработке инженерного метода прогнозирования снижения энергоемкости и экологической безопасности перекачки нефтепродуктов, зависящего от конструктивных, объемно-планировочных решений прокладки трубопроводов и теплофизических показателей грунтов в практическом подтверждении основных положений исследований

Практическое значение работы представляют:

-инженерная методика расчета температурно-влажностного режима подземных и обсыпных герметичных и негерметичных сооружений, и оценка погрешности его расчета при нестационарных (сезоннопромерзающих) условиях тепло- и влагообмена помещения и фунта;

-методика расчета температурных полей в мерзлых фунтах в стационарных и нестационарных условиях вокруг теплопроводов и каналов;

-уточненная методика расчета тепловых режимов нефтепродуктопроводов и нефтехранилищ;

-закономерности формирования температурно-влажностных полей в наружных воздухопроницаемыхограждающихконструкциях вусловияхпоровои инфильтрации или эксфильтрации;

-инженерные методы снижения энергоемкости перекачки нефтепродуктов:

-методы повышения экологической безопасности инженерных систем жизнеобес-

печения (на примере бассейна р. Волга).

Реализация результатов исследований, предназначенных для практики проектирования, строительства и эксплуатации экологически безопасных, надежных и энергоэффективных теплопроводов и нефтепродуктопроводов, проводились под руководством автора в филиале ОАО «Верхневолжские магистральные нефтепроводы» - Горьковском районном нефтепроводном управлении, при строительстве защитных сооружений нефтепровода Альметьевск - Горький-2 в 1996-2000гг. (534-536км) и на

участках мелкого залегания нефтепровода Сургут - Полоцк в 2000-2001гг. Защитные сооружения нефтепроводов приняты в эксплуатацию.

Апробация работы Основные результаты исследований докладывались на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов Нижегородского государственного архитектурностроительного университета «Строительный комплекс» 1998, 1999гг., «Архитектура и строительство», 2000г., на ежегодных научно-технических конференциях преподавательского состава и курсантов Нижегородского филиала военно-инженерного университета, 1999,2000,2001,2002 гг.

Публикации Основные положения проведенной работы изложены в пяти на- учно-технических публикациях.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пять глав основного текста, основных выводов, списка использованной литературы, шести приложений, включая акты внедрения результатов исследований.

Диссертация выполнялась в рамках научной программы Министерства образования РФ «Научное, научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования», подпрограммы «Архитектура и строительство», 211.06; ЕЗН Министерства образования РФ («Исследование путей по снижению энергоемкости реконструируемых зданий и сооружений»), а также госбюджетных и хозрасчетных НИР Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета и Нижегородского филиала военно-инженерного университета (НФВИУ).

Заказчиком хоздоговорных и НИР являлось Горьковское районное нефтепроводное управление - филиал ОАО «Верхневолжские магистральные нефтепроводы».

Автор выражает глубокую благодарность член-корреспонденту Российской академии архитектурно-строительных наук, доктору технических наук, профессору А. Ф. Шаповалову, начальнику ГРНУ А. Б. Баринову, главному инженеру Скоморохину В. Л., а также начальнику Тюменского ФВИУ генерал-майору Логинову M. А.,

заместителю директора РВУ ОАО "Волготрансгаз" Погорилко П. П. за ценные советы ипожелания,высказанныевпериодвыполненияработы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Требования к допустимым и оптимальным параметрам надежности и экологи-

ческой безопасности надземных систем жизнеобеспечения (теплопроводов, нефтепроводов, систем водоснабжения и канализации) и систем жизнеобеспечения гражданских и промышленных зданий и сооружений в современной технической литературе изложены довольно полно. Существенный вклад в разработку и совершенствование теории тепломассообмена систем жизнеобеспечения внесли отечественные ученые:

Б.В.Баркалов, Е.Е.Карпис, В.Н.Богословский, В.В.Найденко, В.И.Бодров,

А.Г.Гиндоян, С.С.Кутателадзе, А.В.Лыков, Б.В.Моисеев, Г.М.Позин, М.Е.Рубинэ, Ю.А.Табунщиков, В.И.Черникин и другие. В диссертации также приведен анализ зарубежных исследований по рассматриваемой тематике.

Параметры надежности и экологической безопасности систем жизнеобеспечения, расположенных в грунте, после проведения анализа литературных данных (Р.К.Довлегхель, А.А.Коновалов, Б.JI. Кривошеин, В.СЛукьянов, А.Ф.Шаповал, Н.А.Цытович, А.Ф.Чудновский и другие) показали, что комплекс вопросов по проектированию, расчету и эксплуатации систем исследован недостаточно полно.

Следствием является наличие ряда практических рекомендаций,затрудняющих научное обоснование снижения энергоемкости тепло-нефтепроводов, санитарногигиенических условий в помещениях перекачивающих станций при минимуме энергозатрат. Решение данного вопроса в полном объеме в технической литературе нами не обнаружено.

Для преодоления этих недостатков реализован подход к решению проблемы, сформулированный в перечисленных задачах настоящего исследования, который комплексно увязывает требования экологичности надежности подземных сооружений, их экономичности и температурному режиму с глубиной заложения систем, типом и теплофизическими характеристиками грунтов. Научно обоснованный подход к решению задачи поддержания расчетных параметров микроклимата помещений пере-

начинающих станций в зависимости от их конструктивных и объемно-планировочных решений, полученный нами, опирается на фундаментальные исследования отечественных ученых: В. H. Богословского, А. В. Лыкова, Э. В. Сазонова, В. П. Титова, Ф. В. Ушкова, К. Ф. Фокина, Б. В. Моисеева-

Текущая глубина промерзания грунта hM в заданный период времени с начала наступления отрицательных температур, наружного воздуха с учетом продолжительности стояния и толщины снежного покрова, является определяющей характеристикой при расчете теплового и влажностного режимов подземных инженерных сооружений и режимов эксплуатации.

Необходимым условием при определении величины hM является учет фазовых переходов (замерзание, таяние) воды, содержащейся в грунте или обсыпке сооруже-

ния.

В диссертации показано, что основополагающая формула Н.А.Цытовича дает завышенные значения величины hм из-за принятия среднемесячной температуры поверхности грунта tПГ расчетного месяца, а величина расчетного периода τ учитывает период времени с начала наступления отрицательных температур наружного воздуха. Для учета этого фактора нами введено понятие средней температуры поверхности фунта за расчетный период времени tПГ выраженной через среднюю температуру самого холодного месяца tсрХМ. Температура фронта фазового превращения tФР для воды, находящейся в фунте, различна и зависит от типа грунта его льдистости io. Принимая во внимание тот факт, что при строительстве и обваловке сооружений происходит разрушение естественной структуры грунта, температуру фазового превращения поровой воды можно принятьблизкой к O0C. Расчетноезначение глубины промерзания фунта в окончательном виде будет:

мает нулевую или отрицательную величину, что означает таяние льда, образовавшегося из поровой воды, закончилось и начался прогрев грунта. В диссертации приведен

9

пример расчета текущей глубины промерзания фунта hM в климатических условиях г.НижнегоНовгородадлячетырехвидовпочвразличнойвлажности(приложение1).

Тепловой режим неотапливаемых подземных или обсыпных сооружений (рис. I) в расчетный период времени определяется средней температурой внутренних поверхностей наружных ограждающих конструкций:

Рис. 1 Расчетная схема для определения температурного режима неотапливаемых подземных или обсыпных сооружений

Температуры внутренних поверхностей ограждающих конструкций сооруженийτB сучетом введенных нами поправок на время замерзания (таяния) поровой воды определены из условия равенства глубины залегания фронта с нулевой температурой и глубины промерзания. В окончательном виде выражение для определения температурывнутреннейповерхностиограждающихконструкций:

Величина относительной ошибки расчета температур внутренних поверхностей и воздуха подземных и обсыпных сооружений, ограниченных слоем однородного ве щества (двухслойная задача) и не имеющих этого слоя (однослойная задача), опреде лена с учетом применения в практике расчета формул, содержащих точные аналити ческие зависимости. Анализ изменения величин относительных ошибок расчета тем ператур внутренних поверхностей и воздуха помещений проводится путем сравнения общих решений точных аналитических задач для полупространства и помещений прямоугольного сечения (рис.2).

Рис.2. Расчет температурною режима ограждающих конструкций подземных сооружений:

а - грунтовый массив; б - грунтовый массив, ограниченный слоем