Россия
Цель: Объекты транспортной инфраструктуры включают в себя разнообразные системы водоснабжения. В условиях отрицательных температур окружающей среды возникает опасность замерзания и разрушения водоводов. При математическом моделировании работы надземных трубопроводов большое значение имеет правильное описание процесса теплообмена между наружной стенкой трубопровода и окружающей атмосферой. Граничное условие, соответствующее этому процессу, традиционно включает в себя коэффициент теплопередачи, зависящий от ряда непредсказуемых параметров (скорости и направления ветра, давления атмосферы, влажности воздуха). Цель настоящей работы состоит в проведении сравнительного анализа роли свободного и вынужденного конвективного теплообмена и обосновании возможности постановки граничного условия, зависящего только от температуры наружного воздуха. Методы: Для решения поставленной задачи в работе используется численный анализ критериев подобия для процесса теплообмена в условиях, характерных для работы надземного трубопровода с теплоизоляцией. Обоснование граничного условия на внешней поверхности трубопровода основывается на законе сохранения энергии. Результаты: Определены области значений параметров задачи, при которых преобладает свободный или вынужденный конвективный теплообмен. Показано, что в условиях, характерных для работы надземных водоводов, преобладает вынужденная конвекция. При этом разница между температурами внешней поверхности трубопровода с теплоизоляцией и окружающей атмосферы мала. Показано, что в этом случае в качестве граничного условия целесообразно использовать равенство температур атмосферного воздуха и поверхности трубопровода. Практическая значимость: Понимание механизмов теплообмена позволяет создать адекватную модель работы трубопровода в условиях отрицательных температур. Постановка более точного и простого граничного условия на поверхности водовода упрощает задачу математического моделирования. Результаты, полученные в настоящей статье, могут быть использованы при математическом моделировании трубопроводов с теплоизоляцией.
Надземный трубопровод, теплоизоляция, конвективный теплообмен, коэффициент теплопередачи, граничное условие, математическая модель
1. Богословский П. А. Ледовый режим трубопроводов гидроэлектрических станций / П. А. Богословский. - М.; Л.: Госэнергоиздат, 1950. - 154 с.
2. Жидких В. М. Ледовый режим трубопроводов / В. М. Жидких, Ю. А. Попов. - Л.: Энергия, 1979. - 132 с.
3. Cheng K. C. Freezing and melting heat transfer in engineering: Selected topics on ice-water systems and welding and casting processes / K. C. Cheng, N. Seki. - New York: Hemisphere, 1991. - 815 p.
4. Gordon J. R. An Investigation into Freezing and Bursting Water Pipes in Residential Construction / J. R. Gordon // Research Report, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, USA. - 1996. - Iss. 96-1. - Pp. 1-51. - URL: https://www.ideals.illinois.edu/items/54859.
5. Akyurt M. Freezing phenomena in ice-water systems / M. Akyurt, G. Zaki, B. Habeebullah // Energy Conversion and Management. - 2002. - Vol. 43. - Pp. 1773-1789.
6. McDonald A. Mathematical simulation of the freezing time of water in small diameter pipes / A. McDonald, B. Bschaden, E. Sullivan et al. // Applied Thermal Engineering. - 2014. - Vol. 73(1). - Pp. 142-153.
7. Hongfei Xu. Modelling ice and wax formation in a pipeline in the Arctic environment / Xu Hongfei, H. Dali, S. Yue et al. // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. - 2020. - Vol. 66. - P. 104197. - DOI:https://doi.org/10.1016/j.jlp.2020.104197.
8. Терехов Л. Д. Внутреннее обледенение водоводов в зимний период / Л. Д. Терехов, Н. В. Твардовская, Е. А. Твардовская // III Бетанкуровский международный инженерный форум: сборник трудов, Санкт-Петербург, 2-3 декабря 2021 года. - СПб.: ФГБОУ ВО ПГУПС, 2021. - Т. 2. - С. 161-164.
9. Михеев М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева. - М.: Энергия, 1977. - 344 с.
10. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена / С. С. Кутателадзе. - М.: Атомиздат, 1979. - 416 с.
11. Ландау Л. Д. Теоретическая физика. Т. VI. Гидродинамика / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. - М.: Наука, 1986. - 736 с.
12. ГОСТ 21880-2011. Маты из минеральной ваты прошивные теплоизоляционные / Редактор В. Н. Копысов. - М.: Стандартинформ, 2012. - 10 с.
