Введение к работе
з
Актуальность проблемы. Более 60% территории Российской Федерации находится в Северной строительно-климатической зоне, характеризующейся наличием вечномерзлых фунтов, суровыми природно-климатическими условиями, холодными продолжительными зимами от 8-9 месяцев. В этих районах сосредоточена большая часть полезных ископаемых и стратегических ресурсов страны. В настоящее время здесь проживает около 11 млн. человек более, чем в 400 населенных пунктах. Большинство населенных пунктов Севера имеют централизованные системы водоснабжения. Проблема доставки воды на промышленные предприятия, энергетические объекты, в города и поселки занимает важное место в освоении и дальнейшем развитии производительных сил этого региона.
Обобщенный опыт эксплуатации систем водоснабжения, назначения гидравлических и тепловых режимов водоводов, обеспечения надежности их работы свидетельствует о необходимости совершенствования существующих проектных решений и разработки новых, более экономичных технологий подачи воды, базирующихся на новых математических методах и моделях, информационных системах, позволяющих автоматически контролировать тепловое состояние трубопровода, назначать оптимальные тепловые режимы водоводов, оснащать трубопроводы специальной незамерзающей арматурой и устройствами для защиты труб от перемерзання.
Жизненно важным становится вопрос комплексного исследования технологии подачи воды, требующий рассмотрения и взаимоувязанного решения проблемы синтеза оптимального гидравлического и теплового режимов водоводов в суровых климатических условиях Севера.КЗадача эта многоуровневая, с использованием современных достижений науки и техники в смежных областях знаний: ледоведении, теории тепломас-
сообмена, строительной теплофизики, теории гидравлических и тепловых расчетов, математического моделирования, современных средств информатизации и др.
Цель исследования заключается в исследовании общепринятых способов подачи воды и разработка принципиально новой технологии транспортирования воды для Северных территорий страны, обеспечивающей существенную экономию топлива, энергетических ресурсов и охрану окружающей среды.
Методы исследования основываются на системном подходе, математической статистике, методиках определении ледотермических режимов трубопроводов с использованием современных отечественных электронных контрольно-измерительных приборов и методов математического моделирования, новых информационных систем и технологий, позволивших предложить принципиально новую технологию транспортирования воды в системах водоснабжения с учетом экстремальных факторов.
Научная новизна. Степень научной новизны диссертации определяется тем, что в ней с системных позиций и на новом математическом уровне поставлены и решены задачи совершенствования систем водоснабжения жилищно-бытовых и производственных зданий и сооружений Забайкальской и Дальневосточной железных дорог на основе учета особенностей эксплуатации, причин аварийности и перемерзання водоводов в суровых климатических условиях. Предложены принципиально новые технологии отыскания рациональных температурных режимов водопроводов, дающие максимальную выгоду при транспортировании воды, выполнены экспериментальные и теоретические исследования, позволяющие существенно повысить надежность работы водоводов в экстремальных условиях Севера.
В диссертационной работе решены следующие научные проблемы,
не получившие к настоящему времени достаточного экспериментального и теоретического обоснования:
экспериментально установлена область повышенной пропускной способности трубопровода за счет образования льда на его внутренней поверхности. На основе этого явления предложена принципиально новая технология транспортирования воды в трубах с ледяной коркой на внутренней поверхности;
расширены границы физических представлений о закономерностях образования льда в трубе и его структуры при частичном и полном пе-ремерзании;
изучены формы и структура ледяных образований в трубах из различных материалов в зависимости от температуры воздуха на их внешней стенке;
установлена связь между скоростью оледенения труб и структурой образующегося льда;
установлена качественная характеристика образующегося в трубах льда: характера воздушных включений во льду, размеры кристаллов льда, плотность;
разработана математическая модель инерционности промерзания трубы при остановке движения и установлены диапазоны оптимальной степени теплоизоляции труб и степени подогрева воды;
обоснована минимально допустимая степень подогрева воды перед ее транспортированием по трубам, которая снижена по сравнению с нормальной в десятки раз и дает существенную экономию топлива;
на основе теории тепломассообмена решена линейная задача и установлены закономерности динамики формирования корки льда, образующегося на внутренней поверхности трубы в отдельных ее сечениях в движущемся потоке и при остановке движения;
разработана двумерная математическая модель процесса оледене-
ния водовода и показана эффективность численного решения этой задачи с использованием разностных схем, построенных на основе криволинейной координатной сетки;
- разработано программно-математическое и аппаратное обеспе
чение, позволяющее автоматизировать назначение оптимального теп
лового режима с учетом изменяющихся климатических условий.
Апробация работы. Автор ознакомил научную и техническую общественность с результатами исследований путем выступлений с докладами на:
- Втором Международном студенческом конгрессе стран Азиатско-
тихоокеанского региона,: Владивосток, 1997;
на научно-технической конференции "Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Сибири и Дальнего Востока". Часть 2., Хабаровск, 1999;
- научно-технической конференции ученых транспортных вузов,
главных инженеров дорог, отделений и линейных предприятий Дальнего
Востока и Сибири, Хабаровск, 2003; на Третьей Международной научной
конференции творческой молодежи "Научно-техническое, и экономиче
ское сотрудничество стран Азиатско-Тихоокеанского региона в XXI веке",
Хабаровск, 2005;
- 44 Всероссийской научно-практической конференции "Современные
технологии - железнодорожному транспорту и промышленности", Хаба
ровск, 2006;
Пятой международной научной конференции творческой молодежи "Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке", Хабаровск, 2007;
Международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академиче-
ской науки, посвященной 70-ию университета "Инновационные технологии транспорту и промышленности", Хабаровск, 2007.
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 10 печатных работах, включая монографию "Совершенствование технологии водоснабжения в суровых климатических условиях", объемом 5,6 п.л. - Хабаровск, Издательство Дальневосточного государственного университета путей сообщения (ДВГУПС), 2007.
Практическая ценность работы. Выполненные экспериментально-теоретические исследования позволили реализовать полученные знания на ряде объектов Дальневосточного региона по двум направлениям: а)
-
Совершенствование эксплуатации существующих водоводов без значительных капитальных вложений путем использования рассчитанных номограмм для назначения минимального подогрева воды с оснащением водоводов новыми видами незамерзающей арматуры и устройствами защищающим трубы от разрушения.
-
Переход на новую технологию подачи воды с внутритрубным оледенением с оснащением существующих и вновь строящихся водоводов автоматизированной системой комплексного управления тепловым и гидравлическим режимом водоводов с обустройством их новой незамерзающей и защитной арматурой.
Практическая реализация предложенных рекомендаций позволяет снизить затраты электроэнергии по транспортировке воды на 18-20%, топлива - на 6-11 %, улучшить экологическую обстановку вследствие снижения загрязнения окружающей среды вредными газами и пылью, увеличить срок эксплуатации труб, улучшить качество воды, уменьшить утечки воды.
Результаты работы включены в учебный процесс Дальневосточного государственного университета путей сообщения.