Содержание к диссертации
Введение
1. Краткая история развития и совершенствования работы водоводов в суровых климатических условиях 10
1.1. Развитие методов транспортирования воды в условиях Севера 10
1.2. Изучение вопроса о внутреннем оледенении трубопроводов 14
1.3 Оледенение водовода в местах с интенсифицированной отдачей тепла 18
1.4. Выводы. Цель, задачи и методы исследований 23
2. Методика экспериментальных исследований 26
2.1. Планирование эксперимента 26
2.1.1. Назначение выходных параметров и факторов, определяющих процесс 26
2.1.2. Выбор модели 30
2.1.3. Выбор метода построения эксперимента 31
2.2. Экспериментальный стенд и контрольно-измерительные приборы 35
2.3. Методика проведения эксперимента 43
3. Экспериментальные исследования интенсифицирующиго воздействия опорных конструкций на оледенение водовода 51
3.1. Неподвижная опора с вертикальными двухсторон ними упорами 51
3.1.1. Выбор факторов, назначение их уровней и интервалов варьирования 51
3.1.2. Выбор плана эксперимента, его результаты и уравнения регрессии 51
3.1.3. Проверка адекватности уравнений экспериментальным данным 54
3.1.4. Проверка значимости коэффициентов уравнений 55
3.1.5. Проверка адекватности уравнений физике явления 56
3.2. Скользящая опора с продольными стойками 57
3.2.1. Выбор факторов, назначение их уровней и интервалов варьирования 57
3.2.2. Выбор плана эксперимента, его результаты и уравнения регрессии 58
3.2.3. Проверка адекватности уравнений экспериментальным данным 60
3.2.4. Проверка значимости коэффициентов уравнений 60
3.2.5. Проверка адекватности уравнений физике явления 62
3.3. Зависимость степени оледенения трубопровода перед опорой от продолжительности опыта 62
3.4. Профили оледенения 64
3.5. Основные результаты исследований и выводы 71
Основные результаты работы и выводы 109
Список использованной литературы 111
Приложение. Сведения о внедрении 125
- Изучение вопроса о внутреннем оледенении трубопроводов
- Назначение выходных параметров и факторов, определяющих процесс
- Выбор плана эксперимента, его результаты и уравнения регрессии
- Выбор плана эксперимента, его результаты и уравнения регрессии
Введение к работе
Актуальность темы. Природно-сырьевые богатства северных территорий России дали толчок к быстрому росту промышленного и гражданского строительства в сложных условиях Крайнего Севера, которые характеризуются повсеместным распространением вечномерзлых грунтов и продолжительными периодами с низкими отрицательными температурами наружного воздуха. Освоение уникальных природных ресурсов привело к созданию десятков крупных городов и сотен поселков, в которых проживает около 14 млн. человек.
Важной задачей жизнеобеспечения промышленности и населенных мест является надежное и бесперебойное снабжение водой производства и создание для населения бытовых условий, отвечающих современным требованиям.
Большинство населенных пунктов оборудовано централизованными системами водоснабжения. Одним из основных элементов системы водоснабжения являются водоводы, которые имеют большую протяженность. В северных районах наибольшее распространение получили водоводы надземной прокладки, которые имеют ряд преимуществ в сравнении с подземной: отсутствие теплового воздействия на мерзлые грунты; удобство в обеспечении контроля за состоянием водовода и проведении ремонтных и аварийно-восстановительных работ; исключаются трудоемкие и дорогостоящие земляные работы. Но водоводы надземной прокладки имеют большие тепловые потери и поэтому наиболее подвержены замерзанию в зимнее время. Меры по защите трубопроводов от перемерзання составляют большую долю затрат при их эксплуатации.
Важным элементом при надземной прокладке водоводов являются опорные конструкции. В зимнее время при экстремальных условиях на внутренней поверхности трубопроводов возможно образование слоя льда, причем наибольшая толщина, которого наблюдается в месте установки опоры. Являясь так называемыми «мостиками холода» опорные конструкции интенсифицируют процесс теплоотдачи водоводов при надземном способе прокладки. Анализ ряда аварий водоводов, связанных с перемерзанием труб показал, что полное замерзание воды по сечению трубы происходит в первую очередь в месте установки опорной конструкции.
Вопрос о влиянии опорных конструкций на процесс оледенения водоводов при движении воды остается слабо изученным. Поэтому большое значение приобретает важность совершенствования методов тепловых и гидравлических расчетов водоводов, с учетом оледенения водовода в местах расположения опор.
Целью диссертации является разработка математической модели трубопроводов, работающих в режиме оледенения, с учетом влияния опорных конструкций на тепловой и гидравлический режимы водоводов.
В соответствии с поставленной целью в процессе исследования решались следующие задачи:
Анализ существующих методов исследования интенсифицирующего воздействия опорных конструкций на оледенение водоводов.
Разработка методики и проведение экспериментальных исследований по изучению влияния различных видов опорных конструкций на внутреннее оледенение водоводов.
Разработка математической модели процесса оледенения водовода с учетом интенсифицирующего влияния опорных конструкций.
Численное моделирование процесса оледенения водовода с интенсифицирующим воздействием опорных конструкций.
Оценка технико-экономического эффекта от применения разработанной методики.
Методика исследований основана на проведении дробного факторного эксперимента. Численное моделирование ледотер-мических и гидравлических режимов водоводов проводилось на основе одномерной математической модели неустановившегося оледенения с учетом интенсифицирующего воздействия опор.
Научная новизна.
1. Установлены факторы, которые в наибольшей степени
влияют на интенсификацию процесса оледенения водоводов, в
местах расположения опорных конструкций, наиболее часто
применяемых типов при движении воды по водоводу.
Полученные уравнения регрессии позволяют дать количественную оценку воздействия опорных конструкций различных видов на процесс оледенения водовода.
Создана математическая модель процесса оледенения водовода, учитывающая интенсифицирующее воздействие опор.
Практическая ценность работы. В результате проведенных исследований разработан метод, позволяющий рассчитывать степень оледенения водовода надземной прокладки, учитывая интенсифицирующее воздействие наиболее распространенных типов опорных конструкций. Практическая ценность предложенного метода заключается в снижении тепло- и энергозатрат за счет сокращения продолжительности периода подогрева воды и назначения минимальной температуры подогрева воды, транспортируемой по водоводам.
Разработано программное обеспечение по расчету ледовых режимов водоводов с учетом интенсифицирующего воздействия опор, которое позволяет:
Определить объем мероприятий направленных на предотвращение замерзания водоводов, а именно применение попутного или сосредоточенного подогрева воды, обеспечение циркуляции воды, теплоизоляцию водоводов;
Понизить количество вредных выбросов в окружающую среду, за счет уменьшения количества сжигаемого топлива и тем самым снизить платежи за загрязнение окружающей среды.
Апробация работы. Работа выполнена в соответствии с научно-технической программой Российской академии архитектуры и строительных наук «Разработка и создание эффективной энергосберегающей технологии подачи воды по водоводам в суровых климатических условиях для северных регионов России» (2001 -2007гг).
Основные результаты работы докладывались на 5-й международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (г. Пенза, 2005 г); региональной научно-практической конференции «Наука строительному комплексу Севера» (г. Якутск, 2006 г); 9-й краевой конкурс-конференции молодых ученых и аспирантов «Наука - Хабаровскому краю» (г. Хабаровск, 2007 г); 10-й международной научно-практической конференции «Города России: проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии» (г. Пенза, 2008 г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано б работ и получено 3 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы (124 наименования). Изложена на 127 страницах, содержит 44 рисунка, 10 таблиц.
Изучение вопроса о внутреннем оледенении трубопроводов
Вопросы оледенения трубопроводов уже давно интересуют отечественных и зарубежных ученных. Так М. Я. Чернышев в своем труде [109] в 1933 г решал задачу об учете тепла гидродинамических сопротивлений в трубах. В 1931 году профессор Л. С. Лейбензон [62] предложил решение задачи о застывании нефтепродуктов при остановке движения в трубопроводе. Решение данной задачи было весьма ценным, т.к. полученные выводы были применимы к гидротехническим трубопроводам.
В 1939 году А. М. Естифеев [40] предложил формулу для расчета оледенения трубопровода, учитывающую тепло гидродинамических сопротивлений движущейся воды. Но недостатком формулы явилось сочетание условий, которые на практике встречаются очень редко, что и ограничило область ее применения. Так в формуле принимались следующие условия: темпера-тура воды постоянна по длине потока и равна нулю, расход протекающей воды не зависит от оледенения труб, а общие тепловые потери водоводом в атмосферу компенсируются только теплотой трения.
Позднее в работах Н. Н. Петруничева и Г. С. Шадрина [71,112] рассматривались теоретические исследования тепловых процессов, связанных с работой трубопроводов уложенных в вечной мерзлоте.
В работе Д. Н. Бибикова и Н. Н. Петруничева [10] предложена методика определения скорости нарастания льда в заданном сечении. Недостатком расчета является пренебрежение теплотой трения, в результате рост оледенения водовода в рабочем со стоянии будет продолжаться до полного его замерзания. Что не соответствует действительной картине оледенения, в действительности рост льда прекратиться, так как теплота трения компенсирует теплопотери водоводом в атмосферу.
Наиболее подробно методика расчета ледового режима водоводов рассмотрена П. А. Богословским [18]. В основе разработанного им метода - решение системы дифференциальных уравнений баланса тепла как для всего трубопровода в целом (для стенок и воды), так и для оледеневших стенок и для текущей воды. В работе [18] детально рассмотрены методы ледотер-мического расчета для случаев предельного, цилиндрического и установившегося оледенения, а также предложены два метода расчета общего случая оледенения водовода: упрощенный расчет и решение в конечных разностях.
В результате теоретических исследований автором были сделаны следующие выводы: 1. Изменение внутреннего оледенения происходит как по длине трубопровода, так и с течением времени. Когда условия работы трубопровода остаются неизменными оледенение постепенно принимает неизменные во времени, установившиеся формы. Для установившегося оледенения характерно то, что по мере удаления от начала трубопровода оно стремится к неизменному по длине состоянию, которое называется предельным оледенением. Ледяной слой при предельном оледенении с внутренней стороны ограничен цилиндрической поверхностью. 2. В трубопроводах кроме предельного может еще существовать критическое оледенение. Для него характерна большая толщина ледяного слоя. Если толщина ледяного слоя окажется больше критического оледенения, то в дальнейшем она будет увеличиваться вплоть до полного замерзания воды по всему сечению трубопровода. 3. Характер продольного профиля трассы трубопровода играет значительную роль в ледовых режимах трубопроводов. В трубопроводах с большим уклоном в сторону движения воды нужно ожидать меньшее их оледенение. Участки трубопроводов, идущие с обратным уклоном, находятся в невыгодных условиях в смысле оледенения. 4. Увеличение толщины слоя льда на стенках трубопровода со стоячей водой происходит быстрее, чем рост плоского слоя льда, поставленного в те же условия. 5. Температура воды, поступающей в трубопровод, является основным фактором определяющим характер установившегося оледенения, оно может в начале трубопровода оказаться очень значительным или отсутствовать совсем. Оледенение принимает предельное состояние, которое не зависит от температуры на входе, на достаточном удалении от начала трубопровода.
6. Толщина ледяного слоя на внутренних стенках труб будет различной при одном и том лее среднесекундном расходе, но при различных режимах пропуска его во времени.
Предложенная П. А. Богословским методика расчета внутреннего оледенения трубопроводов выполнена трудоемким графическим способом, что вызвало затруднения в ее использовании. Но, несмотря на это, работа [18] является основополагающей в теоретических исследованиях ледотермических режимов трубопроводов. Экспериментальные исследования образования льда в трубах впервые были проведены В. П. Стенганцевым [97]. Полученные данные о росте и таянии льда внутри трубопровода, в зависимости от температуры воды и метеорологических условий подтвердили теоретические исследования П.А. Богословского.
В работе [43] В. М. Жидких и Ю. А. Поповым рассмотрена совместная работа трубопровода и насоса в режиме оледенения, как единая система с обратной связью. По мнению авторов, гидравлические параметры системы (насос - трубопровод) могут меняться во времени как в результате изменения оледенения стенок трубопровода под воздействием окружающей среды, так и в результате изменения технологического режима эксплуатации. Профиль оледенения по длине трубопровода зависит от гидротермических характеристик потока жидкости и от переменных конструктивных и технологических параметров, все эти факторы взаимосвязаны и изменение одних влечет за собой изменение других. В труде [43] предложены математические модели для расчета неустановившегося оледенения водовода при постоянном расходе воды, но изменяющихся климатических условиях и неустановившегося оледенения водоводов при переменном расходе воды. В работе предложены способы расчета внут-ритрубного оледенения с использованием ЭВМ, приведены результаты экспериментальных исследований процесса таяния льда в трубе.
В. М. Жидких [42] применил методы теории подобия для решения уравнений баланса тепла и построения профиля оледенения. Предложенные им критерии подобия процесса внутреннего оледенения позволили записать уравнения баланса тепла П. А. Богословского в безразмерных координатах и применить их для расчета нисходящих трубопроводов.
Результаты многолетних теоретических и экспериментальных исследований в области теплообмена водоводов, эксплуатируемых в суровых климатических условиях, рассмотрены в работах Б. М. Доскемпирова и Д. А. Нусупбековой [38, 69]. Исследования проводились на специально изготовленном экспериментальном стенде в натурных климатических условиях. Параметры проводимых экспериментов изменялись в широких пределах, это позволило авторам изучить закономерности образования слоя льда в трубопроводе и получить основные типы и профили льда в трубе. На основе проведенных исследований разработан алгоритм и рабочая программа для расчета ледотермических режимов трубопровода для различных вариаций исходных параметров системы.
Методы теплового расчета водоводов в условиях сурового климата совершенствовались многими отечественными ученными [51, 66, 85, 12, 76], при этом активно использовалось математическое моделирование процессов оледенения трубопровода с использованием ЭВМ.
Назначение выходных параметров и факторов, определяющих процесс
Целью экспериментальных исследований является изучение интенсифицирующего воздействия опорных конструкций на оледенение водовода надземной прокладки при движении воды. Для проведения экспериментальных исследований необходимо: - выбрать выходные параметры (отклики); - выбрать независимые переменные (факторы), определяющие процесс; - выбрать модель (вид функции отклика); - выбрать метод планирования эксперимента; - разработать и создать экспериментальную установку. При надземной прокладке водоводов в районах с низкими отрицательными температурами, при определенных условиях, на внутренней поверхности трубы происходит образование ледяного кольца. На участках водовода в месте расположения опорной конструкции наблюдается значительное увеличение ледяного образования, за счет интенсивного стока тепла. Поэтому в качестве выходного параметра принимается коэффициент интенсификации тепловых потерь. Выбор данной переменной основан на том, что существует апробированная методика замораживания экспериментальных стендов с различными интен-сификаторами тепловых потерь [35, 115].
На участке трубопровода в месте расположения опорной конструкции тепловые потери достигают своего максимального значения, но влияние поры распространяется и на некоторый участок трубопровода возле нее. Поэтому для определения потерь тепла на участке трубопровода с опорной конструкцией в качестве выходного параметра принимается относительная длина ледяного выступа lid.
Дополнительным параметром назначается степень оледенения трубопровода в месте расположения опоры, с целью определения гидравлических сопротивлений, возникающих за счет образования ледяных выступов.
После выбора выходных параметров рассматриваются независимые переменные (факторы), которые обуславливают интенсифицирующее воздействие опорных конструкций на оледенение трубопровода. При планировании эксперимента к выбранным факторам предъявляются требования совместимости, независимости и управляемости.
Интенсифицирующее воздействие на процесс оледенения трубопровода оказывает опорная конструкция, которая является источником отвода теплового потока. Конструктивные параметры опорных конструкций заданы на основе нормативных документов [94], а также на основе обмера опор реальных водоводов районов БАМа, Якутии и п. Дудинка. В качестве независимой переменной, оказывающей влияние на степень оледенения водовода, выбрана высота опорной конструкции.
Следующий фактор, который может оказывать влияние на исследуемый процесс - материал основания опорных конструкций. Скользящие опорные конструкции устанавливаются на железобетонном или деревянном основании, а так как теплопроводность железобетона в несколько раз выше, чем дерева возникает необходимость включения этого фактора в состав независимых переменных. На степень интенсифицирующего воздействия опорной конструкции может повлиять диаметр трубопровода, т.к. с его увеличением снижается интенсивность оледенения. Учитывая этот факт, принимаем в качестве фактора - диаметр трубопровода. В экспериментальных исследованиях принимались диаметры 50 мм, 100 мм и 150 мм.
По мере нарастания в трубах льда происходит снижение интенсифицирующего воздействия опорной конструкции. Данный факт подтверждается результатами экспериментальных исследований отраженных в работах [35, 115]. Поэтому в качестве независимой переменной выбирается степень оледенения трубопровода. Нижним уровнем данного фактора является наименьшая степень оледенения трубопровода, она составляет 0,15, так как при меньшей степени оледенения в трубе диаметром 50 мм невозможно извлечь образец льда. За верхний уровень принимается наибольшая степень оледенения трубопровода вне пределов влияния опоры, которая составляет 0,45. При превышении значения верхнего уровня фактора происходит промерзание трубопровода в месте установки опорной конструкции.
Процесс движения воды по трубопроводу связан с затратами энергии на гидродинамическое трение. При этом в воде происходит выделение тепла, интенсивность которого зависит от скорости движения воды. Поэтому, в состав независимых переменных включается скорость движения воды в трубопроводе. Нижний уровень данного фактора равный 0,1 м/с принимается исходя из того, что при скорости движения воды меньше этого значения происходит перемерзание всасывающего патрубка насоса. В связи с тем, что температурные возможности холодильной камеры ограничены (минус 12 С) и при больших скоростях движения воды в экспериментальном стенде не происходит образование льда в трубопроводе, за верхний уровень фактора принимается скорость движения воды 0,5 м/с.
По данным исследований изложенным в работе [69] на характер внутреннего оледенения водовода оказывает влияние скорость и направление ветра. Согласно данным [54, 55, 29] на территории зоны БАМа и Якутии в холодный период года преобладают ветры северного, северо-восточного и северо-западного направлений. Скорость ветра незначительная от 0,3 до 3,4 м/с, а в непродолжительные периоды самых низких отрицательных температур преобладают штили. При проведении экспериментальных исследований в лабораторных условиях сложно смоделировать интенсивность турбулентности атмосферного потока, а в натурных условиях управлять ветровым потоком не представляется возможным, их можно только фиксировать. Учитывая выше изложенные факты, такие факторы как скорость и направление ветра не отвечают требованию управляемости и не могут быть включены в состав независимых переменных.
Выбор плана эксперимента, его результаты и уравнения регрессии
Главное требование к модели - это способность предсказывать направление дальнейших опытов с требуемой точностью. Это значит, что предсказанное с помощью модели значение отклика не отличается от фактического больше, чем на некоторую заранее заданную величину. Модель, отвечающая этому требованию, называется адекватной. Для проверки гипотезы об адекватности используется критерий Фишера.
В результате сравнения найденных значений критерия Фишера с табличным значением сделано заключение, что экспериментальная величина F-критерия не превышает табличное значение, т.е. уравнения достаточно точно описывают экспериментальные данные с уровнем значимости а = 0,05 и модель молено считать адекватной.
Проверка значимости коэффициентов уравнений ДЛЯ оценки значимости коэффициентов уравнений регрессии и определения дисперсии воспроизводимости опыта проведены три параллельных опыта в центре изучаемой области
По результатам проверки установлено, что условие \у — yR tl_a S{y} выполняется, следовательно, полученные уравнения регрессии достаточно точно отражают физику изучаемого явления.
Конструктивные размеры скользящей опоры имеют следующие значения: ширина опоры 0,66 - 0,88d; длина опоры 1,63 -3,38 d. Фактором, который может влиять на процесс оледенения трубопровода, выбрана высота опоры. Она варьируется в пределах от 45 - 70 мм. Дополнительным фактором для скользящей опоры выбран материал основания под опорой.
Для реализации всех возможных сочетаний уровней факторов применяется дробная реплика от полного факторного эксперимента 241. Соответственно реализация плана требует проведения восьми опытов. Матрица планирования и результаты ДФЭ приведены в табл. 3.7.
Проверка значимости коэффициентов уравнений Для проверки значимости коэффициентов уравнений регрессии необходимо определить дисперсию опыта S {Y} (форму-ла 2.9) дисперсию коэффициентов полученных уравнений S {Ъ} (формула 2.10). Дисперсия эксперимента определяется путем проведения трех параллельных опытов в центре изучаемой области. Опыты проводились с трубой диаметром 100 мм, степень оледенения трубы 0,300, высота опоры 45 мм, материал основания под опорой - дерево.
В эксперименте одним из определяющих факторов является степень оледенения трубопровода без опоры. Уровни данного фактора 0,15; 0,3; 0,45. Для управления фактором необходимо знать время в течение, которого будет достигнута необходимая степень оледенения.
Несмотря на различную, для каждого опыта, степень внут-ритрубного оледенения, профиль образовавшегося льда в области влияния неподвижной опоры одинаков во всех опытах. В экспериментах со скользящей опорой также наблюдается сходство профилей льда для различных степеней оледенения. Из графиков видно, что форма ледяного выступа имеет несимметричную форму. Наибольшее оледенение наблюдается в точках влияния ребер опорной конструкции. Характер оледенения входной части, т.е. перед опорой, более плавный и имеет большую длину, чем за опорой.
С увеличением степени оледенения асимметричность ледяного выступа в продольном направлении увеличивается (рис. 3.12). Степень оледенения трубы после опорной конструкции больше, чем пред ней. Но при больших степенях оледенения в районе опоры, за счет значительного уменьшения сечения трубы в месте расположения опоры и увеличения угла расширения диффузора (до 42 - 58), возникает зона повышенной турбулентности потока (с отрывом потока от стенок на всем протяжении диффузора) и за опорой как следствие этого может образоваться участок безо льда.
Выбор плана эксперимента, его результаты и уравнения регрессии
Образование ледяных выступов в водоводах с источниками дополнительного теплоотвода (опорами) приводит к изменению сечения трубы и в результате происходит увеличение гидравлического сопротивления. Ледяной выступ представляет собой достаточно сложный случай местного сопротивления, так как происходит сужение потока с последующим его расширением. Значительные потери энергии наблюдаются в диффузорной части ледяного выступа. За счет увеличения площади живого сечения потока происходит уменьшение скорости и увеличение давления, возникают вихреобразования и отрыв потока от стенки. При большой степени оледенения, увеличивается угол расширения диффузора (рис. 3.126), интенсивность образования вихрей увеличивается, и соответственно возрастают потери на вихреобразование. В целом потери напора в диффузоре складываются из потерь напора на трение и потерь напора на вихреобразование [46].
В конфузорной части ледяного выступа за счет того, что происходит плавное сужение сечения ледяного кольца (рис. 3.12) вихри не образуются, не происходит отрыва потока от стенок, соответственно потери напора значительно меньше чем в диффузоре. Как видно из рисунка 4.1 опыты со скользящей опорой про-водись в диапазоне чисел Рейнольдса от 4 000 до 20 000, что соответствует скорости потока перед ледяным выступом 0,21 - 1,03 м/с. Угол сужения конфузора находился в пределах от 3,1 до 6,3; а угол расширения диффузора - от 3,8 до 7,5. Представленные на графиках результаты опытов находятся в двух областях - переходной и квадратичной. Граница перехода из одной области в другую находится в пределах Re = 12 000 -5- 14 000. Ледяной выступ представляет собой криволинейный диффузор, который отличается большей устойчивостью и с ростом числа Рейнольдса происходит плавное снижение коэффициента сопротивления диффузора. На рис. 4.2 представлена зависимость коэффициента сопротивления от числа Рейнольдса для неподвижной опоры. Число Рейнольдса, для данного вида поры, изменялось в диапазоне от 3 000 до 20 000. Скорость потока перед ледяным выступом изменялась в пределах от 0,13 до 0,85 м/с. Переход в квадратичную область при предельном числе Рейнольдса находился в интервале от 13 000 до 15 000.
Наиболее подробные исследования гидравлических сопротивлений конфузоров и диффузоров проведены И.Е. Идельчи-ком [46]. Но в данной работе автором проводились опыты в ламинарной области для малых чисел Рейнольдса (менее 30) и в квадратичной области для чисел Рельнольдса более 105 - 3-Ю5. Для чисел Рейнольдса отЗ 000 до 20 000 данные отсутствуют. Форма ледяного выступа образующегося в месте расположения неподвижной опоры имеет сложную форму, и отличается в зависимости от степени оледенения. Так при небольших степенях оледенения выступ имеет форму двух последовательно расположенных выступов (рис. 4.3а). Гидравлическое сопротивление при такой форме ледяного выступа возрастает. Согласно исследованиям [69] с несколькими волнистыми выступами турбулентность, созданная первым выступом, не затухает. В диф-фузорной части первого выступа происходит интенсивное перемешивание потока и на втором выступе наблюдается повышенное сопротивление, по сравнению с одиночным выступом. Поэтому можно сделать вывод, что гидравлическое сопротивление, создаваемое при небольших степенях оледенения в месте установки неподвижной опоры больше, чем создаваемое ледяным выступом, образующимся в результате влияния скользящей опоры.
При значительных степенях оледенения ледяной выступ приобретает плавные очертания (рис. 4.36), более похожие на оледенение со скользящей опорой. Соответственно гидравлическое сопротивление меньше и по значению близко сопротивлению трубопровода со скользящей опорой. Подробно вопрос гидродинамического сопротивления труб с выступами освещен в [69]. a)
Форма ледяного выступа а) при степени оледенения 0,764; б) при степени оледенения 0,992 С целью выяснения возможности влияния ледяных выступов друг на друга были проведены экспериментальные исследования.
Изучение этого вопроса проводилось на опытном стенде (рис. 4.4), который представляет собой трубу диаметром 25 мм, с тремя последовательно расположенными скользящими опорами.
Опорные конструкции располагаются на расстоянии 25Й? друг от друга, что соответствует расстоянию между опорами на реальных водоводах диаметром 200 - 300 мм. Каждый из трех участков с опорой имеет два измерительных отверстия с приваренными резьбовыми втулками диаметром 10 мм, которые предназначены для измерения разности давлений на участках пред опорой и после нее. Опора имеет следующие размеры: длина - 1,8 d; ширина - 0,6 d\ высота - 0,64 d.
В ходе проведения эксперимента было выяснено, что степень оледенения опоры по ходу движения воды увеличивается. Степень оледенения трубопровода между опорами также постепенно увеличивается, приобретая ступенчатый характер.
Исследование взаимного влияния опор на процесс внутреннего оледенения трубопроводов осуществлялось следующим образом. На теплоизолированном трубопроводе, были проведены измерения суммарных потерь напора в трубопроводе с несколькими выступами и потери напора на участке трубопровода с одним ледяным выступом.
Вода, забираемая из источника, обладает некоторым запасом тепла. При движении по водоводу в условиях отрицательных температур теплосодержание воды уменьшается за счет теплообмена с окружающей средой. При этом происходит снижение температуры воды от tH до температуры tn, при которой на стенке водовода начинает образовываться слой льда, постепенно увеличивающийся по ходу движения воды.
Когда запас тепла в движущейся воде израсходован полностью, она приобретает постоянную температуру tcp, при этом тепловые потери водовода компенсируются выделением внутреннего диссипативного тепла трения. При избыточном давлении в водоводе температура іф ниже О С на величину, пропорциональную давлению. С этого момента рост льда прекращается вплоть до изменения климатических условий или расхода транспортируемой воды.
