Содержание к диссертации
Введение
Микроклимат в подземных коллекторах для инженерных коммуникаций 12
Тепломассообменные процессы, создающие микроклимат в подземных коллекторах для инженерных коммуникаций 12
Обзор основных видов инженерных коммуникаций, прокладываемых в подземных коллекторах, и классификация подземных коллекторов для инженерных коммуникаций 19
Тепловой баланс подземного коллектора для инженерных коммуникаций 24
Анализ методик расчета аэродинамических характеристик подземного коллектора для инженерных коммуникаций 33
Анализ влияния движения воздуха на тепловой режим подземного коллектора для инженерных коммуникаций 45
Общая постановка задачи по расчету теплового режима подземного коллектора для инженерных коммуникаций 48
Описание математической модели теплового режима подземного коллектора для инженерных коммуникаций 48
Тепловой режим подземного коллектора для инженерных коммуникаций 57
Математическая модель теплового режима
Построение математической модели теплового режима подземного коллектора для инженерных коммуникаций 64
Влияние температуры наружного воздуха на изменение температурного режима в массиве грунта и описание нестационарных процессов запаздывания влияния температуры во времени 65
Результаты математического моделирования теплового режима подземного коллектора. 72
Натурные исследования теплового режима подземного коллектора для инженерных коммуникаций 82
Экспериментальное исследование теплового режима подземного коллектора 82
Программа натурных измерений 83
Описание объекта для проведения измерений в подземных коллекторах 88
Результаты натурных измерений в подземных коллекторах для инженерных коммуникаций 92
Анализ результатов математического моделирования и натурныхизмерений параметровтеплового режима подземного коллектора для инженерных коммуникаций 110
Методика расчета теплового режима подземного коллектора 110
Сравнительный анализ результатов математического моделирования и натурного эксперимента.
Определение абсолютной и случайной погрешности математического моделирования и инструментальная погрешность измерительных приборов при натурных измерениях
Заключение 122
Список литературы
- Обзор основных видов инженерных коммуникаций, прокладываемых в подземных коллекторах, и классификация подземных коллекторов для инженерных коммуникаций
- Анализ методик расчета аэродинамических характеристик подземного коллектора для инженерных коммуникаций
- Тепловой режим подземного коллектора для инженерных коммуникаций
- Экспериментальное исследование теплового режима подземного коллектора
Обзор основных видов инженерных коммуникаций, прокладываемых в подземных коллекторах, и классификация подземных коллекторов для инженерных коммуникаций
В «Указаниях по проектированию вентиляции в кабельных тоннелях» [120] приведены рекомендации по выбору типа вентиляции в кабельных тоннелях в зависимости от потерь мощности электрических кабелей на 1 погонный метр тоннеля. Для тоннелей с потерей мощности более 150 Вт на 1 п. м. следует применять систему вентиляции, причем при потерях мощности до 700 Вт на 1 п. м. с естественным побуждением, а более 700 Вт на 1 п. м. с комбинированным побуждением (механическим и естественным). Механическая система вентиляции используется в теплый период года, когда температура воздуха, удаляемого из подземного коллектора, превышает +30 С и при проведении ремонтных работ и обслуживания подземного коллектора. Воздухообмен определяется с использованием теории тепловых волн. В силу сезонных изменений температуры приточного воздуха наиболее неблагоприятными с точки зрения обеспечения удаления избыточной теплоты из тоннелей являются летние месяцы с высокой температурой наружного воздуха. В этот период объём вентиляционного воздуха, рассчитанный на удаление тепловыделений, будет наибольшим.
Однако расход вентиляционного воздуха может быть значительно уменьшен, если правильно учесть способность окружающего грунта аккумулировать теплоту. В теплый период, когда температура воздуха в подземном коллекторе выше температуры окружающего грунтового массива, значительная часть теплоты, выделяемая в коллекторе, аккумулируется грунтом с повышением его температуры. В зимнее время, напротив, температура воздуха в подземном коллекторе должна быть ниже температуры грунта. В этом случае происходит отдача теплоты в воздух коллектора от прогретого летом грунта и понижение его температуры. Через год и более в зависимости от глубины размещения коллектора после начала эксплуатации подземного коллектора колебания температуры воздуха в коллекторе и ограждениях коллектора будут происходить около одного и того же среднего значения [103, 110]. Указания рекомендуют определение потерь теплоты в грунт по методике, разработанной в Военно-инженерной Академии им. Куйбышева. Этот метод учитывает условия нестационарного теплообмена между заглубленными ограждениями тоннеля и грунтом [121].
В книге К.Д. Смирнова «Теплоснабжение и вентиляция гидроэлектростанций» [90] обращается внимание на необходимость применения систем вентиляции в кабельных тоннелях. Высокая температура внутреннего воздуха тоннеля приводит к быстрому старению изоляции кабелей и уменьшению их расчетной токопроводимости. В связи с этим рекомендуется поддержание температуры внутреннего воздуха, окружающего электрический кабель, не более +25 С.
В книге А.М. Конюшкова «Укладка водопроводов в тоннелях» [26] рекомендуется устройство естественной и механической систем вентиляции в тоннелях. Причем устройство механической вентиляции предусматривается при укладке в тоннелях труб систем теплоснабжения и газопроводов. В тоннелях рекомендуется поддерживать температуру воздуха не более +25 – 30 С и не менее +5 – 6 С.
В книге Е.Я. Соколова «Теплофикация и тепловые сети» [91] отмечается необходимость оборудования подземных коллекторов для теплопроводов системами естественной вентиляции, которая обеспечит поддержание температуры воздуха не более +30 С. При больших тепловыделениях от системы теплоснабжения предусмотрено устройство механической системы вентиляции для снижения температуры воздуха в подземном коллекторе в период длительного пребывания людей во время ремонтных работ.
В книге Н.Ф. Федорова и А.С. Аксельрода «Городские подземные сети и коллекторы» [103] рекомендуется поддержание температуры воздуха не более +35 С. Для снижения температуры воздуха, нагреваемого в результате ассимиляции тепловыделений от теплопроводов и электрических кабелей, по длине подземного коллектора предусматриваются механические системы вентиляции, с зоной действия каждой системы до 600 м. Зоны действия систем вентиляции разделяются герметичной перегородкой. Системы вентиляции работают периодически, при повышении температуры воздуха или выявлении концентрации газовых примесей, которые могут проникнуть из наружных газовых сетей, расположенных вне подземного коллектора, и с наружным воздухом, забираемым вблизи автомагистралей или промышленных зон.
«Нормы и технические условия проектирования тепловых сетей промышленных предприятий и населенных мест» раздел XIII – «Вентиляция проходных каналов» [119] предусматривает вентиляцию коллекторов, рассчитанную на удаление теплоизбытков без учета влаговыделений. Температура воздуха при эксплуатации коллекторов допускается не более +50 С, при ремонтных работах – не более +40 С. Вентиляция не предусмотрена при температуре воздуха в коллекторе менее +40 С. При температуре воздуха +41 – 50 С рекомендуется применение естественной системы вентиляции с воздухообменом не менее 2-х кратного в час. Для производства ремонтных работ дополнительно предусматривается периодическое действие систем естественной и механической вентиляции, снижающих температуру воздуха в коллекторе до +40 С. Если температура воздуха в коллекторе при отсутствии вентиляции может превышать +50 С, то необходимо предусматривать постоянно действующую механическую и естественную вентиляции, рассчитанные на температуру +50 С при эксплуатации и на температуру +40 С при ремонтных работах. В указанных нормах дана методика расчета потерь теплоты через грунт и тепловыделений от теплопроводов, а так же конкретные указания по расчету аэродинамических сопротивлений и конструированию вентиляционных систем.
В 1964 году институтом Мосинжпроект составлены «Указания по проектированию общих коллекторов для подземных сетей населенных мест» [118]. В разделе «Вентиляция» рекомендуется устройство в коллекторах приточной механической системы вентиляции. Максимальная температура воздуха в коллекторе принимается равной +30 С, а минимальная температура в коллекторе принимается +5 С.
Анализ методик расчета аэродинамических характеристик подземного коллектора для инженерных коммуникаций
Важное значение имеет учет конвективных потоков, формирующихся в каждой ячейке, на которые разбивается коллектор по длине [12, 59, 109].
В каждой из ячеек, на которые разбивается горизонтальное пространство коллектора, будут иметь место восходящие или нисходящие конвективные потоки или действующие одновременно, что связано с тепловым режимом коллектора, который рассмотрен в разделе 2.2.
В случае с работающей вентиляцией в коллекторе будет иметь место конвективный перенос по длине коллектора, так как динамическое давление создаваемое вентилятором выше динамического давления восходящего или нисходящего конвективных потоков, величина скорости таких потоков менее 0,1 м/с, а направление вектора скорости перпендикулярное вектору скорости основного потока от работающей системы вентиляции, однако при работающей механической системе вентиляции влиянием восходящих тепловых потоков можно пренебречь из-за их малой скорости.
В случае с естественным проветриванием имеет место более активное влияние восходящих и нисходящих конвективных потоков воздуха и их совместное действие, где скорости движения воздуха сопоставимы со скоростями движения воздуха в горизонтальном направлении, и что можно показать следующим образом. В каждой ячейке рассматривается работа конвективных восходящих и нисходящих потоков воздуха, на рисунке № 2.5 показаны восходящие конвективные потоки, движение которых определяется балансом приходящего и уходящего воздуха, омывающего нагретую поверхность электрического кабеля или трубы системы ГВС или ТС, наличием разряжения в связи с утеканием нагретого воздуха из верхней части ячейки у потолка коллектора, с учетом направления с наименьшим сопротивлением движению воздуха. На рисунке № 2.5 а) показана ячейка с односторонним движением воздуха у потолка влево, что характеризует часть коллектора, где формируется движение воздуха под влиянием приточной шахты. На рисунке № 2.5 б) показана ячейка с односторонним движением воздуха у потолка вправо, что характеризует часть коллектора, где формируется движение воздуха под влиянием вытяжной шахты. На рисунке № 2.5 в) показана ячейка с двухсторонним движением воздуха у потолка влево и вправо, что характеризует очень небольшую по длине примерно в центре коллектора ячейку, где формируется движение воздуха под влиянием приточной и вытяжной шахт одновременно. В i-ой ячейке восходящий конвективный поток у потолка коллектора поворачивают в сторону с меньшим сопротивлением, и с наличием снижения давления воздуха, в связи с его течением в сторону вентиляционной решетки (приточная и вытяжная шахты).
Нисходящие конвективные потоки чаще формируются от стен коллектора в связи с действием средневековой температуры окружающегоколлектор грунта, а так же от труб системы ХВС. Если в коллекторе преобладают нисходящие конвективные потоки, то их действие приведет выхолаживанию сначала нижней части коллектора у пола, а затем охлажденный воздух заполнит весь коллектор, что приведет к слабой циркуляции воздуха в коллекторе и шахтах и слабому естественному воздухообмену, который может усиливаться только при наличии ветрового давления у вентиляционных решеток, расположенных у поверхности земли, и в период отрицательных температур в ХП года.
Одновременное действие восходящих и нисходящих потоков реализовано в пределах каждой ячейки сложением векторов среднейскорости на основе принципа суперпозиции рассмотренного в работе проф. Богословского В.Н. [3]. Действие восходящих и нисходящих конвективных потоков воздуха в коллекторе показано на рисунке № 2.6, где, ГВС – горячее водоснабжение, ХВС – холодное водоснабжение. В коллекторе могут быть все указанные элементы, как на рисунке № 2.6, а так же коллектор может быть только кабельным.
Рисунок № 2.6. Схема действия потоков восходящих и нисходящих струй, в результате конвективного теплообмена от нагретых коммуникаций в коллекторе и при охлаждении воздуха об стенки коллектора
Формирование восходящих и нисходящих конвективных потоков их скорость и расход воздуха в них рассматриваем как от длинномерных нагретых или холодных поверхностей на основе формул полученных проф. Шепелевым И.А. [109]. Скорость на оси горизонтального длинномерного источника конвективного потока можно определить по формуле: w — з gQo 1+0 сл/п ІСрТоо - a (65) где – коэффициент для расчета скорости равный 1, а для расчета температуры равный 0,8.
Средняя скорость в конвективном потоке будет равна 0,5w. Расход воздуха в конвективном потоке на i- м участке определяется шириной источника и длиной участка, при этом струя, поднимаясь (опускаясь) от источника, расширяется на 120,25/, что позволяет получить горизонтальные размеры струи у потолка и среднюю скорость, что позволяет получить расход в струе у потолка. Разница объемных расходов у поверхности источника и у потолка – это количество воздуха, поступившее в струю из нижней части коллектора, подмешивание которого привело к расширению струи и снижению скорости струи на расстоянии ее формирования.
Нисходящие конвективные потоки от охлажденных стен коллектора, как правило, холоднее внутреннего воздуха и здесь формируется нисходящая длинномерная конвективная струя, изменение скорости и температуры в которой можно определить по формулам:
Тепловой режим подземного коллектора для инженерных коммуникаций характеризуется изменением температуры воздуха по длине. Температура воздуха в коллекторе ограничивается величиной от +30 оС до +40 оС в случае прокладки в коллекторе силовых кабелей высокого напряжения, что связано с сохранностью и долговечностью инженерных коммуникаций и нормативной токопроводимостью силовых кабелей высокого напряжения [113, 114].
Схема реализации математической модели теплового режима коллектора в продольном разрезе по ходу движения воздуха Тепловой режим коллектора зависит от теплопоступлений и теплопотерь. Теплопоступления в коллекторе состоят из следующих элементов: от тепловых сетей, от электрических кабелей, теплота с наружным воздухом. Теплопотери в коллекторы связаны с теплопередачей с окружающим коллектор массивом грунта, с возможным размещением в коллекторе трубы от системы холодного водоснабжения и на нагрев воздуха поступающего в коллектор в ХП и ПП.
На рисунке № 2.7 показана схема разбивки на ячейки коллектора по ходу движения воздуха для расчета теплового режима в каждой ячейке с поиском температуры воздуха и температуры поверхности и слоев стен коллектора и окружающего массива грунта. На рисунке № 2.8 показан коллектор в поперечном разрезе с окружающим массивом грунта, температура которого влияет на температурный режим воздуха, перемещающегося в коллекторе по длине.
Тепловой режим изменяется в каждой ячейке по ходу движения воздуха, при этом происходит изменение температуры воздуха и температуры слоев ограждения и слоев примыкающего массива грунта. Рассмотрение теплового режима в ячейках по длине коллектора проводится в нестационарном режиме, с учетом переменной температуры наружного воздуха в течение суток, сезона, года и десятилетия. Тепловой режим зависит от движения воздуха в пространстве подземного коллектора, так как воздух вносит и перемещает теплоту в коллекторе, что учитывается при формировании математической модели.
Тепловой режим подземного коллектора для инженерных коммуникаций
Объект исследования.Объектом исследования являлись коллекторы для прокладки подземных коммуникаций «Дзержинский» («Неглинный») и «Академический» («Гражданский») в г. Москве. В рамках экспериментальных исследований проводились натурные обследования теплового режима коллекторов. В натурных условиях действующего городского коллектора для инженерных коммуникаций требовалось исследовать состояние теплового режима, влияние внутренних и внешних воздействий на состояние теплового режима в коллекторе и дать оценку эффективности действующей системы вентиляции. Цель исследования – изучение изменения температуры воздуха, температуры поверхностей в зависимости от следующих факторов: температуры наружного воздуха, температуры массива грунта, температуры инженерных коммуникаций, от периодичности включения системы вентиляции и от глубины заложения.
В процессе обследования коллекторов проводилось измерение температуры внутреннего воздуха, температуры поверхностей, скорости движения воздуха в коллекторе при работающей системе вентиляции, а так же температуры наружного воздуха.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в процессе исследований были решены следующие задачи: - измерение параметров воздуха в коллекторе: температуры, подвижности; - измерение температуры внутренней поверхности ограждающих конструкций коллектора; - измерение температуры поверхности изоляционного слоя коммуникаций: теплопроводы, электрические кабели, трубы холодного водоснабжения; - измерение температуры и скорости воздуха на притоке в коллектор и воздуха, удаляемого из коллектора; - измерение температуры наружного воздуха; - регистрация параметров теплоносителя в теплопроводах. Измерение параметров производилось в 4-х сечениях по длине коллектора, расположенных на расстоянии от начала вентилируемого участка: сечение 1 – 10 м,сечение 2 – дины участка, сечение 3 – длины участка, сечение 3 – 3 м от вытяжной шахты.
Расположение точек измерения параметров в сечениях показаны на рисунке № 4.1 и рисунке № 4.2. Температура, скорость и направление движения воздуха измеряются в трех точках по высоте сечения (т. 21, т. 22, т. 23).
Экспериментальные значения необходимы для получения качественной картины формирования фактических значений параметров микроклимата подземного коллектора, а также оценки правильности разработанной математической модели и сопоставления фактических значений с результатами моделирования. Эксперимент проводился с учетом известных условий эксплуатации подземного коллектора, режимов работы подземного коллектора и инженерных систем, а также мощности источника выделения теплоты. Для измерения параметров теплового режима в назначенных точках в сечениях и по длине коллектора используются приборы, применяемые для измерения параметров микроклимата [14]: 1. Для непрерывной автоматической записи температуры наружного воздуха – самопишущие устройства (регистратор данных Testo 1753). 2. Для непрерывной автоматической записи температуры приточного воздуха, поступающего в коллектор – самопишущие устройства (регистратор данных Testo 1753). Коллектор Гражданский. Принципиальная схема размещения регистраторов температуры. Измерение температуры внутреннего воздуха проводились в семи точках в режиме мониторинга с записью результатов через 3 минуты с помощью приборов testo 175-Т3, которые позволяют запоминать 16 000 измеренных значений, данные приборы были равномерно размещены по длине изучаемого участка коллектора, через 10 дней приборы были сняты, с них переписаны замеренные данные на компьютер и приборы снова установлены для продолжения замеров. Один прибор был установлен в приточной шахте, что позволило фиксировать изменение температуры наружного воздуха в данный период времени. Были выбраны участки длиной до 200 м с системой вентиляции, находящейся в работоспособном состоянии, что бы на данном участке было относительно высокое количество проходящих инженерных коммуникаций.
Регистратор данных температуры в долгосрочный период testo 175-Т3 представлен на рисунке № 4.3. Модель внесена в Государственный Реестр средств измерений РФ. Технические характеристики: память: 16000 изм. блоков; температура хранения: -40...+85С; рабочая температура: -35...+70С; элемент питания: LI(1АА); диапазон измерений: -50...+1000С; разрешение: 0.1 C; Погрешность внутренняя и внешняя: 0.5 C (-20 ...+70 C), 1 C (-35 ...-20.1 C).
Так же в сечениях, где установлены записывающие температуру внутреннего воздуха приборы, при посещении коллектора проводились измерения температуры поверхностей ограждающих конструкций и поверхностей инженерных коммуникаций, скорости воздуха с помощью внешних зонтов и прибора testo 435-4.
Многофункциональный измерительный прибор testo 435-4 представлен на рисунке № 4.4. Модель внесена в Государственный Реестр средств измерений РФ.Технические характеристики: память на 10 000 изм. блоков; класс защиты IP 54; температура хранения -30 ... +70 С; рабочая температура -20 ... +50 С; Тип зонда NTC: диапазон измерений -40 ... +150 С ; погрешность ±0.2 С (-25 ... +74.9 С); ±0.4 С (-40 ... -25.1 С); ±0.4 С (+75 ... +99.9 С); ±0.5% от изм. знач. (в ост. диапазоне); разрешение: 0.1 С . Тип зонда Дифференциальное давление: Диапазон измерений 0 ... +25 гПа; Погрешность ±0.02 гПа (0 ... +2 гПа); 1% от изм. знач. (в ост. диапазоне); Разрешение 0.01 гПа.; Тип зонда Крыльчатка: Диапазон измерений 0 ... +60 м/с; Разрешение 0.01 м/с (60 vane); 0.1 м/с (16 vane).
Экспериментальное исследование теплового режима подземного коллектора
Для достаточно точного расчета теплообмена необходимо учитывать множество факторов влияющих на тепловой режим. Данная методика расчета теплового режима подземного коллектора позволяет максимально точно определить потери теплоты через ограждающие конструкции и поступления теплоты от инженерного оборудования изменяемые во времени. Данная расчетная методика позволяет учитывать затухание температурных колебаний во времени внутри подземного коллектора, от инженерного оборудования, через ограждающие конструкции и в массиве грунта, учитывая различную тепловую массивность, инерционность и коэффициент теплоусвоения материала. Методика расчета теплового режима подземного коллектора: 1. Исходные данные: а) Форма подземного коммуникационного коллектора (круглая, прямоугольная); б) Глубина заложения подземного коммуникационного коллектора, м; в) Размеры подземного коммуникационного коллектора (площадь живого сечения, общая длина, длина от приточной до вытяжной шахты), м2; г) Вид грунта (чернозем, суглинок, супесь, песчаный и т.д.); д) Характеристики грунта (плотность, кг/м3; коэффициент теплопроводности, Вт/мС; удельный вес, Н/м; степень насыщения влагой (сухое состояние (параметры «А»), влажностное состояние(параметры «Б»))); е) Характеристики ограждающих конструкций (площадь, м2; плотность, кг/м3; коэффициент теплопроводности, Вт/мС; удельный вес, Н/м; степень насыщения 111 влагой (сухое состояние (параметры «А»), влажностное состояние(параметры «Б»), толщина, м); ж) Температура наружного воздуха в соответствии с СП 131.13330.2012 Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99 (с Изменением N 2) (температура самого холодного месяца, средняя годовая температура и средняя температура за каждый месяц в году), С; з) Шаг изменения параметров во времени, h, ч; и) Величина расчетных ячеек в математической модели, м; к) Виды инженерного оборудования прокладываемые в подземном коммуникационном коллекторе (тепловые сети, эллектрические кабели, слаботочные кабели и т.д.); л) Характеристики инженерного оборудования (температура поверхности, С; диаметр труб, м). 2. Расчет теплового режима подземного коллектора: а) Расчет тепловой массивности внутреннего воздуха, ограждающих конструкций и массива грунта; б) Расчет температуры внутреннего воздуха с учетом тепловой массивности и затухания температурных колебаний во времени, С; в) Расчет температуры поверхности ограждающих конструкций с учетом тепловой массивности ограждения и затухания температурных колебаний во времени, С; г) Расчет радиационной температуры поверхностей инженерных коммуникаций, С; д) Разделение коллектора на сегменты с заданным шагом измерения, шт.; е) Расчет распределения температуры в толще ограждающих конструкций от сегмента к сегменту с учетом тепловой массивности ограждения и затухания температурных колебаний во времени, С; ж) Расчет распределения температуры в толще грунта (взаимное влияние температуры наружного воздуха и поступлений теплоты от подземного 112 коллектора на массив грунта) с учетом тепловой массивности грунта и затухания температурных колебаний во времени, С; з) Расчет распределения температуры по длине подземного коммуникационного коллектора с учетом тепловой массивности воздуха и затухания температурных колебаний во времени, С; и) Расчет температуры удаляемого воздуха, С; к) Расчет изменения температурных колебаний во времени и времени сдвига влияния амплитуды колебания температур наружного воздуха на тепловой режим грунта, ограждающих конструкций и температуру внутреннего воздуха подземного коммуникационного коллектора. 3. Итог: а) Изменение во времени температуры по длине и в сечение подземного коммуникационного коллектора, С; б) Определение времени сдвига фаз влияния температуры наружного воздуха и приточного воздуха на тепловой режим подземного коммуникационного коллектора, ч.; в) Определение тепловой массивности грунта, ограждающих конструкций и внутреннего воздуха; г) Определение запаздывания во времени температурных колебаний и прогнозирование теплового и воздушного режимов подземного коммуникационного коллектора с изменяемыми параметрами микроклимата во времени, ч.; д) Определение влияния тепловой массивности на время запаздывания влияния климатических параметров местности на параметры микроклимата в подземном коммуникационном коллекторе; е) Определение температуры удаляемого воздуха (для возможной рекуперации теплоты удаляемого воздуха), С.