Исследование возможностей использования воздушных охлаждающих систем для регулирования температурного режима грунтовых оснований в криолитозоне

Местников, Владимир Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Исследование возможностей использования воздушных охлаждающих систем для регулирования температурного режима грунтовых оснований в криолитозоне
ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Исследование возможностей использования воздушных охлаждающих систем для регулирования температурного режима грунтовых оснований в криолитозоне"

На правах рукописи

Местников Владимир Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗДУШНЫХ ОХЛАЖДАЮЩИХ СИСТЕМ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ГРУНТОВЫХ ОСНОВАНИЙ В КРИОЛИТОЗОНЕ

Специальность 25.00.08 - инженерная геология,

мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

З ОКТ 2013

Якутск 2013

005534229

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова" (ФГАОУ ВПО «СВФУ им. М.К. Аммосова»).

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Попов Юрий Андреевич!; доктор технических наук, профессор Бондарев Эдуард Антонович.

Официальные оппоненты:

Курилко Александр Сардоковнч,

доктор технических наук, Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН, заведующий лабораторией горной теплофизики; Колмогоров Алексей Васильевич, кандидат физико-математических наук, Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, ведущий научный сотрудник отдела теплофизики.

Ведущая организация:

ОАО "Якутский государственный проектный, научно-исследовательский институт строительства" (ОАО "ЯкутПНИИС").

Защита состоится «23» октября 2013г. в 9.00 ч. на заседании диссертационного совета Д003.025.01 при Институте мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН по адресу: 677010, г. Якутск, ул. Мерзлотная, 36, Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН.

Автореферат разослан «_» сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат географических наук A.A. Шестакова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Общеизвестно, что мерзлые грунты в качестве основания надежны только при обеспечении расчетных отрицательных температур. Деградация вечномерзлой толщи или снижение ее устойчивости при повышении температуры могут привести к катастрофическим последствиям: потере несущей способности грунтов основания, недопустимым деформациям фундаментов и, как следствие, к разрушению зданий и сооружений. Практикой искусственного охлаждения вечномерзлых грунтов с помощью различных типов охлаждающих систем доказаны такие преимущества воздушных охлаждающих систем (ВОС), как экологич-ность, относительная простота практической реализации, высокие технико-экономические показатели и др. Однако широкое применение таких систем затруднено рядом важных обстоятельств (отсутствие достаточно достоверных методов расчета ВОС, а также достоверных методов термодинамических расчетов колонок в составе ВОС, учитывающих динамику температурного поля в грунтовом массиве от теплового воздействия не только колонок ВОС, но и наружного воздуха через поверхность грунта и др.). При этом практически все имеющиеся методы расчета теплового воздействия колонок на окружающий грунт основаны на предположении о известном (заранее заданном) расходе воздуха в колонках. По указанным причинам актуальной является задача разработки метода прогноза динамики температурного поля грунтового массива, сложенного как несвязными, так и связными грунтами, и являющегося элементом сложной аэро- и термодинамической системы.

Цель диссертационной работы - комплексное изучение всех аэродинамических и термодинамических элементов системы воздушного охлаждения грунтовых оснований фундаментов, то есть системы подачи воздуха в охлаждающие колонки и самого грунтового основания.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Для создания однородного мерзлого массива необходимо модифицировать метод расчета аэродинамической системы ВОС с возможным подбором типа нагнетателя и определением параметров дроссельных устройств на входе в колонки из условия равенства в них расходов воздуха.

2. Модифицировать математическую модель теплового взаимодействия ВОС с неоднородным грунтовым массивом основания, сложенным несвязными или связными грунтами с учетом фазовых переходов вода лед.

3. Обосновать технические возможности использования ВОС в промышленном и гражданском строительстве в районах Крайнего Севера и определить возможные регионы их применимости.

Научная новизна:

1. Разработан метод расчета аэротермодинамических процессов в системе принудительной подачи наружного воздуха в колонки ВОС, позволяющий: определить рабочую точку аэродинамической системы: нагнетатель распределительный коллектор —> сеть колонок; подобрать местные сопротивления на входе в колонки из условия обеспечения равенства в них расходов воздуха.

2. Создана методика определения условий возможного образования инея в охлаждаюпщх колонках, основанная на использовании эмпирического соотношения между температурой конденсации влаги (точкой росы) и температурой и влажностью атмосферного воздуха, а также - алгоритма вычисления интенсивности теплообмена в системе охлаждения. При этом состояние атмосферы оценивается по климатическим данным.

3. Предложена математическая модель сопряженного теплообмена при взаимодействии системы охлаждающих колонок с грунтовым массивом, в которой учтены неравномерность теплофизического состояния охлаждаемого грунта и его теплообмен с атмосферным воздухом. Для решения данной задачи выбран наиболее современный вычислительный алгоритм, в котором использован метод сквозного счета для решения задач теплопроводности с фазовыми переходами, метод дробных шагов для решения многомерных уравнений и алгоритм прогонки.

4. Выявлены основные особенности динамики температурного поля охлаждаемого массива, в том числе и его фазового состояния, что позволяет регулировать этот процесс в зависимости от начального состояния объекта, от метеорологических факторов во время проведения работ, а также предложить технически несложные способы повышения эффективности работы систем охлаждения.

Основные защищаемые положения:

1. Аэротермодинамические методы регулирования режимов и выбора параметров воздушных охлаждающих систем грунтовых оснований зданий и сооружений, позволяющие определить рабочую точку аэродинамической системы, подобрать местные сопротивления на входе в колонки из условия обеспечения равенства в них расходов воздуха.

2,Особенности динамики температурного поля охлаждаемого массива, заключающиеся в следующем: а) скорость изменения температуры мерзлой зоны больше, чем талой; б) распределение температуры по глубине грунта немонотонно, что объясняется тепловой инерционностью охлаждаемого грунта, характером изменения температуры атмосферного воздуха и состоянием поверхности строительной площадки; в) из-за циклического изменения температуры наружного воздуха во второй половине периода охлаждения возможна такая ситуация, при которой со временем температура охлажденного грунта будет ниже температуры воздуха.

Практическая значимость работы состоит в разработке:

• методики выбора нагнетателя ВОС, соответствующего определенным параметрам разветвленной аэродинамической сети, включая дроссельные устройства на входе в колонки, обеспечивающие равенство в них расхода воздуха;

• пакета программ для ЭВМ по расчету параметров аэродинамической сети ВОС и термодинамических процессов в связных и несвязных грунтах основания;

• рекомендаций по управлению работой охлаждающей системы в зависимости от температурного режима атмосферного воздуха и термодинамических условий охлаждаемого грунта, что позволяет выбрать оптимальные сроки работы нагнетателей.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

• соответствием математических моделей исследуемых процессов основным закономерностям теории теплопереноса и использованием современных достижений прикладной математики при создании вычислительных алгоритмов и реализующих их программ;

• отсутствием принципиально важных допущений, снижающих точность расчетов;

• качественным соответствием полученных результатов имеющемуся опыту эксплуатации отдельных элементов системы воздушного охлаждения грунтовых оснований.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на XXVII теплофизическом семинаре СО РАН (2004 г.), на научной конференции молодых ученых Республики Саха (Якутия) (2004 г.), на Республиканской научно-практической конференции (Якутск, 2004 г.), на научно-технической конференции НГАСУ (Сибстрин) (2003, 2004 и 2005 г.), а также экспонировались на республиканских (Республика Саха (Якутия)) ярмарках молодежных инновационных проектов «Молодежь. Наука. Бизнес» в 2003 г. (третье место и Диплом Правительства Республики Саха (Якутия) III степени за проект «Повышение термической устойчивости грунтовых оснований зданий и сооружений с помощью воздушных замораживающих систем») и в 2004 г. (первое место и Диплом I степени за проект под тем же названием).

Публикации. Основные положения работы опубликованы в четырнадцати печатных трудах, в том числе в одной монографии, в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК (пять статей).

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы (132 наименования), 88 рисунков и 4 таблицы. Общий объем диссертации 137 страниц.

Работа выполнялась в Северо-Восточном федеральном университете им. М.К. Аммосова по ведомственной научной программе «Развитие научного потенциала высшей школы» (подпрограмма «Развитие инфраструктуры научно-технической и инновационной деятельности высшей школы и ее кадрового потенциала», раздел «Развитие системы научно-исследовательской работы молодых преподавателей и научных сотрудников», проект 8422-ВНП «Повышение термической устойчивости грунтовых оснований зданий и сооружений с помощью воздушных замораживающих систем»).

Автор считает необходимым выразить глубокую признательность и искреннюю благодарность научным руководителям: д.т.н, проф. Бондареву Э.А., д.т.н., проф. [Попову Ю.А| а также д.т.н., проф.Местникову А.Е. за ценные замечания и рекомендации, к.ф-м.н. Рожину И.И. за оказанную помощь и консультации при решении задач математического моделирования, директору инженерно-технического института, д.т.н.Корнилову Т.А. и коллективу кафедры строительного производства Северо-Восточного федерального университета.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решения задачи повышения термической устойчивости грунтовых оснований зданий и сооружений с помощью воздушных охлаждающих систем (ВОС) и дана общая характеристика диссертации.

В первой главе рассмотрены основные принципы использования веч-номерзлых грунтов в качестве оснований, а также конструктивные особенности фундаментов, реализующих эти принципы. На конкретных примерах в Республике Саха (Якутия) проанализированы причины потери устойчивости вечномерзлых грунтовых оснований зданий и сооружений. Сформулированы факторы, влияющие на термическую устойчивость вечномерзлых грунтовых оснований. Дана общая характеристика существующих методов прогноза термической устойчивости (Ю.Е. Велли, С.С. Вялов, Г.В. Порхаев, Н.И. Салтыков, Г.М. Фельдман, Х.Р. Хакимов, JI.H. Хрусталев, H.A. Цытович и др.). Подробно раскрыт смысл понятия «температурная устойчивость вечномерзлых грунтов», введенного H.A. Цытовичем. Рассмотрен принцип действия основных охлаждающих систем с указанием методов их расчета (Г.Ф. Биянов, H.A. Бучко, С.С. Вялов, С.И. Гапеев, В.И. Макаров, Н.Г. Трупак и др.). Детально проанализированы существующие методы расчетного обоснования параметров ВОС (Г.А. Распопин, Ф.С. Попов, И.И. Рожин). Аргументирована необходимость:

• системного подхода к решаемой задаче с обязательным нахождением координат рабочей точки воздушного нагнетателя в сети с разветвленной аэродинамической сетью коллектор колонки ВОС;

• разработки метода аэродинамических расчетов из условия равенства расхода воздуха во всех колонках ВОС;

• учета теплового воздействия на массив вечномерзлого грунта не только колонок ВОС, но и внешней воздушной среды (через поверхность грунтового массива).

Сформулированы основные задачи исследований.

Во второй главе приведены разработанные автором методы расчета:

1) аэродинамической системы вентилятор - распределительный коллектор - колонка ВОС;

2) тепловых процессов в вентиляторе и распределительном коллекторе;

3) тепловых процессов в одиночной колонке в виде рекуперативного теплообменника «труба в трубе» в режиме противотока.

Аэродинамическая система подачи воздуха в колонки (рис.1).

ILL L

Q.,

Q,,

Q>,

і/

-nV

Рг

ҐЬЛ

—. р,

і/

Ь5

С2*,

—^ Р-.:

> РУ

і' vri

Cqk-

о © © © ©

Рис.1. Схема ВОС с принудительной подачей воздуха через внутренние трубы колонок и системная увязка ее элементов: 1 - вентилятор; 2 - распределительный коллектор;

3 - колонки

Из условия аэродинамического равновесия системы подачи воздуха в колонки в виде

Вентилятор

Распределительный коллектор

Колонки ВЗС

разработан и реализован в программном продукте алгоритм расчета координат рабочей точки аэродинамической системы вентилятора,

У=лг

А=ЕАр«» + Е4Р«

І М

Р.(в) = а-І22+в-й + с

(1)

где X АРколл - сумма путевых потерь давления в распределительном кол-

лекторе на участках в соответствии с рис. 1; X - сумма потерь в колонках; Рв(0)~ паспортная характеристика давления вентилятора, аппроксимируемая уравнением а-О, + в ■ <2 + с, где а, вис - индивидуальные коэффициенты для каждого типа вентилятора.

Тепловые процессы в вентиляторе и распределительном коллекторе. Показано, что термодинамические процессы в вентиляторе относятся к адиабатным или политропным. Тогда температуру воздуха на выходе из вентилятора Т2 можно представить в виде

Т2=Тг

п—1

+лг„

Р\

(2)

где Т] - температура воздуха на входе в вентилятор, равная температуре наружного воздуха; рі и рх- давление соответственно на входе в вентилятор и выходе из него; п- показатель политропы; ДТе - нагрев воздуха в вентиляторе за счет аэродинамического трения.

Термодинамические процессы в распределительном коллекторе описаны с учетом, во-первых, их изохорного характера, во-вторых, с учетом отбора воздуха в каждую очередную колонку.

Тепловые процессы в одиночной колонке (рис.2). Получено уравнение, описывающее термодинамические процессы в колонках при заданной закономерности изменения температуры грунта по глубине массива на контакте с колонкой.

а)

^ I Г Я

б)

т)

Но

1(;=Н»)=сою1=1*

Но

О;

да

□ Л

Рис. 2. Схема колонок в составе ВОС: а) вход воздуха через внутреннюю трубу; б) вход воздуха через кольцевое пространство

Рассмотрены уравнения состояния реального газа и показана возможность его замены уравнением состояния Клапейрона. Разработан и реализован в программном продукте алгоритм расчета термодинамических процессов в колонках ВОС при подаче воздуха через внутреннюю трубу.

В третьей главе проанализированы существующие классификации мерзлых грунтов, особенности фазовых процессов в промерзающих (протаивающих) несвязных и связных грунтах, рассмотрены термодинамические и фазовые процессы в грунтовом массиве, примыкающем к охлаждающим колонкам, обусловленные воздействием наружного воздуха через поверхность грунтового массива и одиночной колонки воздушной охлаждающей системы. Предложена математическая модель тепловых процессов в промерзающем (протаивающем) несвязном и связном грунтах и вы-

числительный алгоритм, основанный на методе сквозного счета со сглаживанием теплофизических характеристик грунта в диапазоне температур, который определялся в ходе вычислительного эксперимента. Рассмотрены следующие типовые кусты колонок:

а) /^ч I /К Колонка ££ Колонка ^ 1 |_ • « б) ¡^Колонка ^ Колонка 1 Ь А 4« А 4 Куст из двух колонок, одна из которых крайняя: а) левая, б) правая

б) —с: Колоша Коло им 1. А ■!■ А .1. А .1 Куст из двух колонок внутри одного ряда

в) --ф—гПГ^ -г-10"™-^ & , В Колонка Кмонка -ф-'-ф--1]^ Ок*».* <> Куст из трех колонок при их шахматном расположении в двух рядах

г) ----рГ)—х ^ Колонка ^ Колонка ^ ^ ч- п " -ф---"ф"J Коло«» ^ Колонка ^ Куст из четырех колонок при фронтальном расположении в двух рядах

Д) /|Ч /Т\ 17* Колонка 7*"* Колонка 7* -©-гф-у & 4- <Г --Ну— ® Колонка Куст из пяти колонок при их шахматном расположении в трех рядах

Предложен метод определения условий возможного образования инея в охлаждающих колонках. Он основан на использовании эмпирического уравнения, связывающего температуру конденсации влаги (точки росы) с влажностью и температурой атмосферного воздуха

т = Ы(Тд.<Р) 0

где а = 17.27, Ъ = 237.7 - эмпирические константы, а вспомогательная функция имеет вид:

/(Га<р)=^ + 1П (?)

В двух этих формулах температура выражается в градусах Цельсия, а влажность <р —в долях единицы. Последняя величина определяется по климатическим данным.

Пример построения функции (3) для начальной температуры грунта О °С в координатах температура воздуха - влажность приведен на рис. 3.

Та,°С

Рис. 3. Зависимость температуры точки росы от влажности и температуры воздуха (горизонтальные плоскости - температурам внутренней поверхности кольцевого канала)

При этом берется полный диапазон изменения влажности от 0 до 1, а температура воздуха считается изменяющейся от 5 до -60 °С. Здесь же горизонтальные плоскости приблизительно соответствуют температурам атмосферного воздуха в начале закачки (середина ноября) и в самый холодный период года (середина января).

В четвертой главе подробно описана математическая модель процессов, происходящих в охлаждаемом грунтовом основании.

Пространственная конфигурация области (рис. 4) соответствует линейному расположению охлаждающих колонок, которые находятся на равном расстоянии друг от друга. Глубина колонок также считается одинаковой. Таким образом, можно считать, что замораживание грунтового основания происходит одинаково для каждой колонки. Тогда область, в которой надо определить температурное поле, будет представлять собой параллелепипед высотой Вг со сторонами В. и Ву (на рис. 4 она заштрихована).

у».

2Вх

Рис. 4. Расчетная область охлаждения

Энергетические затраты в такой охлаждающей системе соответствуют энергии, необходимой для работы агрегатов, нагнетающих холодный атмосферный воздух в охлаждающие колонки. Такой процесс выгоден тем, что в нем отсутствуют затраты энергии на охлаждение циркулирующей жидкости.

Математическая модель теплообмена грунтового основания с охлаждающими колонками и атмосферным воздухом состоит из дифференциального уравнения теплопроводности с соответствующими краевыми условиями, определяемыми технологической схемой охлаждения и характером сопряжения тепловых потоков. Если принять граничные условия по направлениям х и у идентичными, то без ущерба для точности вычислений данную трехмерную задачу можно упростить, рассмотрев ее как двумерную осесимметричную, то есть рассматривать температурное поле в двух направлениях: плоскорадиальном и вертикальном. При этом следует учитывать неоднородность многослойной конструкции основания здания, состоящего из различных слоев грунта и верхней бетонной отмостки, под которой находится неоднородный многолетнемерзлый грунт неограниченной мощности.

Математическая постановка задачи динамики температурного поля в грунтовом основании соответствует современной постановке задачи Стефана, в которой она трактуется как обычная краевая задача для квазили-

нейного параболического уравнения с разрывными коэффициентами, которое с учетом многослойности массива грунтов принимает вид:

~ (т,дТ 1 д ( , чЛЛ

дz

аг

(4)

Я4 <г<Вх, 0<z<Bz,t>0,

где \ и Ск - коэффициент теплопроводности и эффективная объемная теплоемкость к -го слоя грунта, то есть кусочно-постоянные функции, сглаженные по температуре в окрестности фазового перехода.

Температурное поле в начальный момент времени считается известной функцией вертикальной координаты г и аппроксимируется по данным термометрии

Г = Г0(г),Г = 0. (5)

На дневной поверхности грунтового массива, граничащего с атмосферным воздухом, принимается граничное условие конвективного теплообмена с учетом поступления тепла излучением:

ог

а.

,г = 0.

(6)

Здесь коэффициент теплопроводности \ соответствует верхнему слою массива (£=1), (2С - суммарная солнечная радиация, А — альбедо поверхности, — коэффициент теплоотдачи воздуха к дневной поверхности, сег — приведенный коэффициент теплообмена, в котором слой бетонной отмостки и снежного покрова можно учитывать как термические сопротивления

а, =

г 1 К К —+—+ —

чога Ль

где Нь, А^ - толщина и коэффициент теплопроводности бетона, , -толщина и коэффициент теплопроводности снежного покрова.

Коэффициент теплообмена с атмосферным воздухом зависит от климатических условий и определяется формулой ^=15.12^, где иа -среднемесячная скорость ветра в данном регионе.

На границах слоев грунтового массива ставятся условия идеального теплового контакта: равенство температур и тепловых потоков.

Дополнительно задаются: условие теплообмена грунта с охлаждающей колонкой

= Г = Д4; (7)

условие радиального распространения тепла на забое колонки Э Т

эГ°.* = *<; (В)

условие симметрии

ът

37 = 0, г = Вх. (9)

Использование гидравлического приближения позволяет использовать полуэмпирические зависимости безразмерного критерия Нуссельта Ии от критериев Рейнольдса Яе и Прандтля Рг для описания теплопередачи от воздушного потока к внутренним стенкам центрального и кольцевого каналов.

Поставленная математическая задача решается методом конечных разностей с использованием продольно-поперечной схемы (метод суммарной аппроксимации). Согласно этому методу исходное уравнение в частных производных расщепляется по направлениям на два уравнения с весами, каждое из которых решается методом сквозного счета со сглаженными функциями коэффициентов теплопроводности и объемной теплоемкости. Для обеспечения устойчивости вычислительного процесса используется неявная разностная схема и метод прогонки.

Основные результаты выполненного вычислительного эксперимента сводятся к следующему:

1) Из-за тепловой инерционности грунта фронт фазового перехода продвигается даже во время остановки охлаждающей системы. Так, в начале второго года продувки нижняя граница таликовой зоны поднимает-

ся наверх из-за притока холода от нижележащих слоев массива грунтов. К концу второго сезона работы охлаждающей системы эта глубина уменьшается, в начале третьего года продувки нижняя граница таликовой зоны будет находиться на глубине 2,4 м (при глубине колонок 9 м), а к концу - ле-допородные линзы между колонками полностью смыкаются.

2) Скорость изменения температуры для мерзлой зоны больше, чем для талой. На характер изменения температур верхних слоев грунта большое влияние оказывает теплообмен с окружающим атмосферным воздухом.

3) Наиболее наглядны температурные поля грунтовых оснований для четырех характерных моментов процесса охлаждения: 1) начало цикла (середина октября); 2) начало нагнетания холодного воздуха (середина ноября); 3) в самый холодный период года (середина января); 4) в конце периода нагнетания (середина марта). На каждом из четырех рисунков представлены две поверхности: одна соответствует первому году работы охлаждающей системы, а вторая - последнему (третьему) году работы. Исключение сделано для середины октября, где вторая поверхность соответствует окончанию второго цикла закачки. На всех рисунках хорошо видно, что распределение температуры по глубине немонотонно, что объясняется, как уже было сказано выше, тепловой инерционностью охлаждаемого грунта и характером изменения температуры атмосферного воздуха. В то же время в конце цикла охлаждения температура мало меняется по расстоянию между охлаждающими колонками.

Из-за циклического изменения температуры наружного воздуха во второй половине периода охлаждения поступление холода в грунт от воздуха должно уменьшаться, и возможна такая ситуация, при которой со временем температура охлажденного грунта будет ниже температуры воздуха. Физически это объясняется тем, что тепловая инерционность мерзлого грунта со временем делает его своеобразным тепловым сопротивлением, в результате чего движение фронта фазового перехода замедляется и скорость изменения температуры грунта уменьшается.

Рис. 5. Температурное поле массива грунта в середине октября: 1 - начальное распределение, 2 - после 2-х сезонов охлаждения

Рис. 6. Температурное поле массива грунтов в середине ноября: в начале 1-го сезона охлаждения, 2 - в начале 3-го сезона охлаждения

I Г

-4 .9

т,°с

-14

-19

Ъ.25

<ги.5 , 0.75

1 г, м

Рис. 7. Температурное поле массива грунтов в середине января: 1 - в конце 1-го сезона охлаждения, 2 - в конце 3-го сезона охлаждения

Рис. 8. Температурное поле массива грунтов в середине марта: 1 - в конце 1-го сезона охлаждения, 2 - в конце 3-го сезона охлаждения

Предложенная математическая модель позволяет оценить возможность повышения эффективности воздушных охлаждающих систем. Рассмотрен следующий сценарий: в период закачки холодного воздуха весь снег убирается со строительной площадки; дополнительно в летнее время с 15 мая по 15 сентября поверхность строительной площадки закрывается специальными теплоизолирующими плитами (пеноплекс: толщина 0,05 м, коэффициент теплопроводности 0,031 Вт/(м-К)), которые сверху засыпаются грунтом. Из результатов вычислений следует, что относительный вклад уборки снега зимой и теплоизоляции летом в повышение эффективности работы системы воздушного охлаждения различен на разных этапах. Если в начале третьего периода, то есть в ноябре роль теплоизоляции невелика, то в итоге, то есть в октябре следующего года, их роль примерно равнозначна. Очень интересным с теоретической точки зрения и важным для практики является результат вычислений, заключающийся в том, что в конце третьего периода охлаждения грунта совместное влияние уборки снега и теплоизоляции приводит не только к существенному понижению температуры основания (количественный фактор), но и к перераспределению температуры по глубине (качественный фактор). Это хорошо видно на рис. 9, где поверхность 1 вогнута, а поверхность 3 выпукла по отношению к вертикальной оси. В целом уборка снега и использование теплоизолирующих покрытий позволяют наиболее эффективно использовать системы воздушного охлаждения и даже существенно сократить время их работы, то есть начать строительство не через 3, а через 1,5 или 2 года. Это тем более целесообразно, что чрезмерное охлаждение грунтового основания может привести к появлению морозо-бойных трещин.

Все расчеты выполнены при исходных данных, включающих в себя сведения о вещественном составе массива грунтов, о теплофизических характеристиках каждого слоя, данные термометрии, параметры охлаждающих колонок. Недостающие данные были получены из опубликованной справочной или научной литературы.

Рис. 9. Температурное поле массива грунтов в середине марта (в конце 3-го сезона замораживания): 1 - снег зимой не убран, теплоизоляция летом отсутствует; 2 - снег зимой не убран, теплоизоляция летом есть; 3 - снег зимой убран, теплоизоляция летом

есть

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан метод расчета технологических параметров системы подачи холодного воздуха в охлаждающие колонки (расход и давление на выходе из вентилятора, проходные диаметры диафрагм на входе в колонки), обеспечивающий однородность состояния охлаждаемого массива. Метод основан на учете термодинамических процессов при движении воздуха в системе труб с учетом его сжимаемости и теплообмена с окружающей средой.

2. Создана инженерная методика определения условий возможного образования инея в охлаждающих колонках, основанная на использовании эмпирического соотношения между температурой конденсации влаги (точкой росы) и температурой и влажностью атмосферного воздуха, а также - алгоритма вычисления интенсивности теплообмена в системе охлаждения. При этом состояние атмосферы оценивается по климатическим данным.

5. Показано, что эффективность применения систем воздушного охлаждения грунтовых оснований существенно повышается при очистке строительной площадки от снега зимой и теплоизоляции ее поверхности в летний период.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов

1.Местников, В.В. Повышение термической устойчивости грунтовых оснований зданий и сооружений в районах вечной мерзлоты с помощью воздушных замораживающих систем / В.В. Местников // Известия вузов. Строительство. - 2003. -№10. - С. 60 - 66.

2. Попов, Ю. А. Постановка классической задачи Стефана для промерзающих (протаивающих) связных грунтов / Ю.А. Попов, Т.В. Завалиши-на, Г.Г. Турантаев, В.В. Местников, В.А. Нечипорук // Известия вузов. Строительство. - 2004. - №10. - С. 107 - 112.

3. Местников, В.В. Тепловые и термодинамические процессы в кустах замораживающих колонок и в примыкающем грунтовом массиве / В.В.

Местников // Промышленное и гражданское строительство. - 2010. - №4. -С. 33-36.

4. Бондарев, Э.А. Оценка условий образования инея внутри охлаждающих колонок системы замораживания грунтовых оснований / Э.А. Бондарев, В.В. Местников // Промышленное и гражданское строительство. -2012.-№1. С. 37-38.

5.Рожин, И.И. Математическое моделирование теплового взаимодействия замораживающих колонок с грунтовыми основаниями / И.И. Рожин, В.В. Местников // Промышленное и гражданское строительство. - 2012. -№1. — С. 33-36.

Статьи в сборниках

1. Сыроватский, A.A. Технология усиления свайных фундаментов в г. Якутске / A.A. Сыроватский, Ф.Ф. Посельский, В.В. Местников // Тезисы докл. на Межд. симпозиуме. - Чита, 1998. - С. 208-215.

2. Местников, В.В. Совершенствование технологии усиления фундаментов / В.В. Местников // Тезисы докл. на Научной конф. студентов и молодых ученых Республики Саха (Якутия). -Якутск, 1999. - С. 49-51.

3. Сыроватский, A.A. Совершенствование устройств для термической устойчивости грунтовых оснований зданий и сооружений / A.A. Сыроватский, В.В. Местников // Сб. науч. тр. «Ресурсы строительного комплекса PC (Я)». - Якутск, 2001. - С.117-121.

4. Местников, В.В. Повышение термической устойчивости грунтовых оснований зданий и сооружений в районах вечной мерзлоты / В.В. Местников // Мат. межвуз. конф. «Актуальные проблемы производства строительных материалов, изделий и конструкций». - Якутск, 2001. - С.45-46.

5. Местников, В.В. Повышение термической устойчивости грунтовых оснований зданий и сооружений с помощью воздушных замораживающих систем / В.В. Местников // Сб. тр. НГАСУ. - Т.5. - Вып. 3 (18). - С. 30-38.

6. Завалишина, Т.В. Учет взаимного теплового влияния колонок в составе воздушных замораживающих систем / Т.В. Завалишина, В.В. Местников // Сб. тр. НГАСУ. - Т.5. - Вып. 3 (18). - С. 12-21.

7. Попов, Ю.А. Аэро-, термодинамика воздушных замораживающих систем и охлаждаемого грунтового массива / Ю.А. Попов, В.В. Местни-ков // Тр. XXVII теплофизического семинара. - Новосибирск: Изд-во Инта теплофизики СО РАН. - 2004. - С. 303-304.

8. Местников, В.В. Обоснование физической и математической моделей тепловых процессов в кустах замораживающих колонок и примыкающем грунтовом массиве / В.В. Местников// Актуальные проблемы строительного и жилищно-коммунального комплексов Республики Саха (Якутия): материалы Республиканской научно-практ. конф. - Якутск: Изд-во ЯГУ, 2004.- С. 122 - 125.

Монография

1. Попов, Ю.А. Методы решения актуальных научно-технических задач (с элементами гидравлики, строительной теплофизики и многокритериальной оптимизации управляемых процессов): монография / Ю.А. Попов, Т.В. Завалишина, B.C. Лаптев, Г.Г. Турантаев, В.В. Местников. - Новосибирск: Изд-во НГАСУ (Сибстрин), 2005. - 192 с.

Подписано в печать 24.07.2013. Формат 60x84/16. Печать цифровая.

Печ. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,87. Тираж 100 экз. Заказ №246. Издательский дом Северо-Восточного федерального университета, 677891, г. Якутск, ул. Петровского, 5.

Отпечатано в типографии ИД СВФУ

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Местников, Владимир Владимирович, Якутск

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова

На правах рукописи

04201362820

МЕСТНИКОВ ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗДУШНЫХ ОХЛАЖДАЮЩИХ СИСТЕМ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ГРУНТОВЫХ ОСНОВАНИЙ

В КРИОЛИТОЗОНЕ

Специальность 25.00.08 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Юрий Андреевич Попов

доктор технических наук, профессор Эдуард Антонович Бондарев

Якутск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.......................................................................................................................3

1 .Анализ состояния вопроса и задачи исследований...........................................9

1.1. Виды фундаментов зданий и сооружений в районах вечной мерзлоты.... 14

1.2. Термическая устойчивость грунтовых оснований зданий и сооружений. 26

1.3. Охлаждающие системы и методы их расчетного обоснования.................33

1.4. Выводы и задачи исследований.....................................................................39

2. Аэро - термодинамические процессы в элементах воздушных охлаждающих систем................................................................................................42

2.1. Аэродинамическая система вентилятор —> распределительный коллектор —> колонки...........................................................................................42

2.2. Тепловые процессы в вентиляторе и распределительном коллекторе......58

2.3. Тепловые процессы в одиночной колонке в виде рекуперативного теплообменника «труба в трубе» в режиме противотока..................................62

2.3.1. Вход воздуха в колонку через внутреннюю (центральную) трубу.....62

2.3.2. Вход воздуха в колонку через кольцевое пространство.......................66

2.3.3. Особенности термодинамических расчетов колонок В ОС..................67

2.3.4. Оценка условий образования инея внутри охлаждающих колонок....72

3. Термодинамические процессы в грунтовом массиве........................................76

3.1. Тепловые и фазовые процессы, обусловленные воздействием наружного воздуха через поверхность грунтового массива..............................76

3.2. Возможные виды кустов колонок.................................................................80

4. Математическое моделирование теплового взаимодействия охлаждающих колонок с грунтовыми основаниям зданий и сооружений....................................85

4.1. Математическая постановка задачи..............................................................86

Основные выводы.. Список литературы

122 126 127

Введение

Актуальность темы

Для зданий и сооружений, возведенных по принципу сохранения мерзлого состояния грунтов в процессе строительства и всего периода эксплуатации, вопрос о термической устойчивости грунтовых оснований имеет существенное практическое значение. Общеизвестно, что мерзлые грунты в качестве основания надежны только при обеспечении расчетных отрицательных температур. Деградация вечномерзлой толщи или снижение ее устойчивости при повышении температуры могут привести к катастрофическим последствиям: потере несущей способности грунтов основания, недопустимым деформациям фундаментов и, как следствие, к разрушению зданий и сооружений. Это обусловливает особую актуальность задачи повышения термической устойчивости вечномерзлых грунтов с помощью специальных охлаждающих систем.

На практике из существующих типов охлаждающих систем (воздушные с принудительной циркуляцией воздуха, жидкостные с принудительной циркуляцией и с плотностной конвекцией теплоносителя, парожидкостные и др.) наиболее экологичными и простыми с технологической точки зрения зарекомендовали себя воздушные охлаждающих системы (ВОС). Однако, несмотря на большой опыт применения воздушных охлаждающих систем, их проектирование сопряжено с трудностями, связанными в основном с отсутствием достаточно достоверных методов расчета температурного поля грунта, примыкающего к колонкам охлаждающих систем. Причиной такого положения являются или рассмотрение температурного поля грунта в отрыве от сложной термодинамики охлаждающих колонок (область промышленно-гражданского строительства), или рассмотрение термодинамики при неоправданно упрощенном толковании термического режима примыкающего грунта (эксплуатация плотин мерзлого типа в системе гидроузлов).

Исходя из вышеизложенного, в диссертации предлагается метод расчета сложных аэро- и термодинамических систем с учетом всех тепловых связей меж-

ду внешней воздушной средой, колонками охлаждающих систем и грунта, примыкающего к колонкам.

Цель диссертационной работы - комплексное изучение всех аэродинамических и термодинамических элементов системы воздушного охлаждения грунтовых оснований фундаментов, то есть, системы подачи воздуха в охлаждающие колонки и самого грунтового основания.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Для создания однородного мерзлого массива необходимо модифицировать метод расчета аэродинамической системы В ОС с возможным подбором типа нагнетателя и определением параметров дроссельных устройств на входе в колонки из условия равенства в них расходов воздуха.

3. Обосновать технические возможности использования ВОС в промышленном и гражданском строительстве в районах Крайнего Севера, определить возможные регионы их применимости и оценить возможности повышения эффективности их применения.

Научная новизна:

1. Разработан метод расчета аэротермодинамических процессов в системе принудительной подачи наружного воздуха в колонки ВОС, позволяющий: определить рабочую точку аэродинамической системы: нагнетатель —> распределительный коллектор —=>- сеть колонок; подобрать местные сопротивления на входе в колонки из условия обеспечения равенства в них расходов воздуха;

2. Создана методика определения условий возможного образования инея в охлаждающих колонках, основанная на использовании эмпирического соотношения между температурой конденсации влаги (точкой росы) и температурой и влажностью атмосферного воздуха, а также - алгоритма вычисления интенсивности теплообмена в системе охлаждения. При этом состояние атмосферы оценивается по климатическим данным.

Основные защищаемые положения:

2. Особенности динамики температурного поля охлаждаемого массива, заключающиеся в следующем: а) скорость изменения температуры мерзлой зоны больше, чем талой; б) распределение температуры по глубине грунта немонотонно, что объясняется тепловой инерционностью охлаждаемого грунта, характером изменения температуры атмосферного воздуха и состоянием поверхности строительной площадки; в) из-за циклического изменения температуры наружного воздуха во второй половине периода охлаждения возможна такая ситуация, при которой со временем температура охлажденного грунта будет ниже температуры воздуха.

Практическая значимость работы состоит в разработке:

• методики выбора нагнетателя ВОС, соответствующего определенным параметрам разветвленной аэродинамической сети, включая дроссельные устрой-

ства на входе в колонки, обеспечивающие равенство в них расхода воздуха;

• пакета компьютерных программ по расчету параметров аэродинамической сети ВОС и термодинамических процессов в связных и несвязных грунтах основания;

Достоверность полученных результатов подтверждается:

• отсутствием принципиально важных допущений, снижающих точность расчетов;

• качественному соответствию полученных результатов имеющемуся опыту эксплуатации отдельных элементов системы воздушного охлаждения грунтовых оснований.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на XXVII теп-лофизическом семинаре СО РАН (2004 г.), на научной конференции молодых ученых Республики Саха (Якутия) (2004 г.), на Республиканской научно-практической конференции Республики Саха (Якутия) (2004 г.), на научно-технической конференции НГАСУ (Сибстрин) (2003, 2004 и 2005 г.), а также экспонировались на Республиканских (Республика Саха (Якутия)) ярмарках молодежных инновационных проектов «Молодежь. Наука. Бизнес» в 2003 г. (третье место и Диплом Правительства Республики Саха (Якутия) III степени за проект «Повышение термической устойчивости грунтовых оснований зданий и сооружений с помощью воздушных замораживающих систем») и в 2004 г. (первое место и Диплом I степени за проект под тем же названием).

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных вы-

водов, списка литературы (132 наименования), 88 рисунков и 4 таблиц. Общий объем диссертации 137 страниц.

Работа выполнялась в Северо-Восточном федеральном университете им. М.К. Аммосова по ведомственной научной программе «Развитие научного потенциала высшей школы», подпрограмма «Развитие инфраструктуры научно-технической и инновационной деятельности высшей школы и ее кадрового потенциала», раздел «Развитие системы научно-исследовательской работы молодых преподавателей и научных сотрудников», проект 8422-ВНП «Повышение термической устойчивости грунтовых оснований зданий и сооружений с помощью воздушных замораживающих систем».

Автор считает необходимым выразить глубокую признательность и искреннюю благодарность научным руководителям: д.т.н, проф. Бондареву Э.А., д.т.н.,

проф. [Попову Ю.А.|, а также д.т.н., проф. Местникову А.Е. за ценные замечания и рекомендации, к.ф-м.н. Рожину И.И. за оказанную помощь и консультации при решении задач математического моделирования, директору инженерно технического института, д.т.н. Корнилову Т.А. и коллективу кафедры Строительного производства Северо-Восточного федерального университета за постоянное внимание и поддержку.

В первой главе диссертации рассмотрены виды фундаментов зданий и сооружений в районах распространения вечномерзлых грунтов и факторы, влияющие на термическую устойчивость грунтовых оснований, дан анализ охлаждающих систем и методов их расчета. На основании этого анализа сделаны выводы о необходимости разработки методов аэро- и термодинамического расчетов воздушных охлаждающих систем, сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе определены основные принципы аэродинамических расчетов системы «вентилятор —> распределительный коллектор —> колонки», обоснованы тепловые процессы в вентиляторе и распределительном коллекторе, одиночной колонке в виде рекуперативного теплообменника «труба в трубе» с входом холодного воздуха через внутреннюю трубу и кольцевое пространство, рассмотрены особенности термодинамических расчетов колонок воздушных охлаж-

дающих систем. Разработан алгоритм расчета воздушной охлаждающей системы с определением координат рабочей точки вентилятора, а также с подбором диаметра дроссельных устройств в охлаждающих колонках из условия равенства расходов воздуха в них. Предложен метод оценки условий образования инея в охлаждающих колонках, основанный на использовании эмпирической зависимости, связывающей температуру точки росы с температурой и влажностью атмосферного воздуха, и на предложенном алгоритме расчет условий теплообмена между нагнетаемым воздухом и охлаждаемым грунтом.

В четвертой главе подробно проанализированы предложенные вычислительные алгоритмы и реализующие их программы. Описан вычислительный эксперимент, в котором выявлены особенности динамики температурного поля охлаждаемого грунта с учетом неоднородности его начального температурного поля и теплофизических характеристик. Использованы современные вычислительные технологии, включающие алгоритмы прогонки и метод дробных шагов при решении двумерной задачи переноса тепла в охлаждаемом грунте.

В основных выводах приведены полученные результаты.

1.Анализ состояния вопроса и задачи исследований

В настоящей главе описываются наиболее распространенные фундаменты сооружений, возводимых в криолитозоне, анализируются основные публикации, посвященные разработке инженерных требований к этим объектам. Особое внимание уделяется методам поддержания грунтовых оснований в мерзлом состоянии, в том числе и инженерной подготовки строительных площадок. Из большого набора инженерных сооружений выбраны те, которые традиционно относятся к промышленному и гражданскому строительству, хотя автор понимает, что при этом в списке публикаций могло не оказаться авторов, внесших существенный вклад в те или иные аспекты теории искусственного замораживания грунтов.

Возведение различного рода инженерных сооружений, осушение или заводнение территории строительства являются причиной нарушения естественных условий, приводящих к изменению термовлажностного режима грунтов основания. Для предотвращения их оттаивания под отапливаемыми зданиями и сооружениями применяют естественное или искусственное охлаждение. Способу искусственного охлаждения грунтов основания посвящены работы Х.Р. Хакимова [113, 114], С.И. Гапеева [27, 28], Б.В. Бахолдина [9], H.A. Бучко [18], В.И. Макарова [57-63], Н.Г. Трупака [103-106], С.С. Вялова [23, 24], Г.Ф. Биянова [10, 11], Филипповско-го С.М. [112], Чжана Р.В. [48, 122-124], Кузьмина Г.П [48-50] и других авторов.

Задачи управления температурным режимом грунтов путем использования сезонно действующих охлаждающих устройств (СОУ) различного типа, а также с помощью холодильных машин, рассмотрены в работах H.A. Бучко, В.И. Макарова, Н.Г. Трупака, Г.Ф. Биянова, В.А. Турчиной, Х.Р. Хакимова и других авторов. В них указывается, что наибольшее практическое применение получили воздушные и жидкостные СОУ с вынужденной конвекцией теплоносителя и жидкостные и парожидкостные СОУ с естественной конвекцией теплоносителя.

В тридцатых годах прошлого столетия при проходке первых тоннелей метро в Москве перед строителями возникла серьезная проблема в виде плывунов, которые заливали стволы и забои шахт. Я.А. Дорман [30, 31] и Н.Г. Трупак [103-

106] разработали метод искусственного замораживания грунтов. В специально пробуренные скважины монтировалась рассольная сеть из труб диаметром 100 мм, к которой подводился от замораживающей станции рассолопровод. В качестве теплоносителя в �

Информация о работе

Местников, Владимир Владимирович
кандидата технических наук
Якутск, 2013
ВАК 25.00.08

Диссертация

Исследование возможностей использования воздушных охлаждающих систем для регулирования температурного режима грунтовых оснований в криолитозоне - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы