Система энергосберегающей термостабилизации одежды ездового полотна транспортных развязок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Костенко Сергей Александрович

• Костенко Сергей Александрович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Костенко Сергей Александрович

Введение

ГЛАВА 1 Современное состояние проблемы борьбы с зимней скользкостью на дорогах и транспортных развязках

1.1 Уровень значимости проблемы ликвидации зимней скользкости на дорогах

1.2 Специфика режимов и условий работы одежды транспортных развязок

1.3 Первичная безопасность дорожного движения. Гололёд, снег, накат

1.3.1 Методы механической уборки дорожного полотна зимой

1.3.2 Применение антифрикционных компонентов в зимний период

1.3.3 Использование антигололёдных реагентов для борьбы со скользкостью

1.3.4 Системы автоматического внесения антигололёдных реагентов

1.3.5 Традиционные методы внесения химических реагентов

1.3.6 Безопасность движения при применении антигололёдных смесей

1.3.7 Особенности внедрения интеллектуальной системы управления

1.4 Вторичная безопасность движения. Деструкция асфальтобетона

1.4.1 Воздействие антигололёдных реагентов на асфальтобетон

1.4.2 Воздействие антигололёдных реагентов на бетонную подложку

1.4.3 Структурно-механическое поведение асфальтобетона в летние периоды

1.5 Влияние антигололёдных реагентов на экологическую обстановку

1.5.1 Влияние на людей и животных

1.5.2 Влияние на растения и подземные воды

1.5.3 Влияние на автотранспорт и дорожную инфраструктуру

1.6 Концепция термостабилизации одежды ездового полотна

1.6.1 Методы электро- и газожидкостного подогрева дорожного полотна

1.6.2 Использование тепла городских сточных вод для подогрева дорог

1.6.3 Применение аккумуляторных систем теплопереноса

1.7 Определение низкотемпературной геотермальной энергии

1.8 Основы термодинамики тепловых насосов и области их применения

1.8.1 Использование тепловых насосов в гражданском строительстве

1.8.2 Использование тепловых насосов в промышленности

1.9 Современная концепция наилучших доступных технологий (НДТ)

1.10 Современная концепция ESG-инвестирования в области термостабилизации

1.11 Выводы по главе

ГЛАВА 2 Результаты экспериментов по термостабилизации модельного

объекта в зимний и летний периоды

2.1 Модельная плита, стенд управления для нагрева модели, оборудование

2.2 Стенд управления для охлаждения модели

2.3 Термостабилизация модели в зимних условиях (компрессор)

2.4 Термостабилизация модели в зимних условиях (электронагрев теплоносителя)

2.5 Термостабилизация (охлаждение) модельной плиты в летних условиях

2.6 Выбор грунтовых теплообменников на основе анализа их эффективности

2.6.1 Оценка теплопроводности и теплоемкости грунтов

2.6.2 Классификация систем отбора низкотемпературной геотермальной энергии

2.7 Выбор конструкционных материалов для системы термостабилизации

2.8 Выбор схемы укладки трубопроводов для теплоносителя

2.9 Выводы по главе

ГЛАВА 3 Математическое моделирование поведения прототипа при термостабилизации в различных условиях внешней среды

3.1 Параметры термостабилизации в зимних условиях

3.1.1 Дифференциальная форма расчетов

3.1.2 Интегральная форма расчетов

3.2 Интегральные параметры термостабилизации в летних условиях

3.3 Численный расчет грунтово-почвенных теплообменников (ГПТ)

3.4 Дополнительные деформации дорожного полотна при различных температурных загружениях

3.5 Выводы по главе

ГЛАВА 4 Дополнительные инфраструктурные области возможного применения разработки системы термостабилизации

4.1 Эстакады и стоянки в аэропортах

4.2 Железнодорожные переезды и перроны

4.3 Интеграция разработки в интеллектуальную транспортную систему

4.4 Выводы по главе

ГЛАВА 5 Оценка вклада применения системы термостабилизации транспортных развязок в экоурбанистику

5.1 Общая концепция биоурбанистики. Индекс лучшей жизни

5.2 Понятие и расчет индекса качества городской среды в РФ

5.3 Расчет повышения индекса качества городской среды при использовании термостабилизации

5.4 Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система энергосберегающей термостабилизации одежды ездового полотна транспортных развязок»

Введение Актуальность темы исследования

Транспортные развязки - важнейший элемент современной организации транспортной системы в Российской Федерации, по которым совершаются более трети пассажирских и четверть грузовых перевозок, и чьё техническое состояние оказывает существенное влияние на экономические и социальные аспекты. Промышленные технологии настоящего времени позволяют целенаправленно управлять физико-механическими свойствами как основных несущих конструкций мостовых переходов, так и главного структурного материала в дорожной одежде ездового полотна - асфальтобетона [74, 92].

Постоянно возрастающая интенсивность движения автомобильного транспорта приводит к росту нагрузок на одежду ездового полотна, что ведёт к ускоренному снижению эксплуатационных характеристик дорожных одежд и сокращению межремонтных сроков дорожных покрытий. Скорость деструкции асфальтобетонов существенно возрастает при использовании антигололёдных химических реагентов в зимний период.

Сезонные деформации и разрушения дорожных покрытий способствуют росту дорожно-транспортных происшествий, увеличению заторов и падению общей скорости движения, что приводит к снижению экономической эффективности перевозок автомобильным транспортом.

О важности и актуальности борьбы с зимним обледенением автодорог в России свидетельствует тот факт, что при непосредственном участии Торгово-промышленной палаты РФ была специально создана Национальная ассоциация зимнего содержания дорог, которая «...объединяет Российских представителей отраслевых научно-исследовательских институтов, экологов и экспертов в различных сферах, производителей противогололедных материалов, снегоуборочной техники, связанных одной целью: сделать жизнь зимой комфортной и безопасной для людей и природы» [121].

В зимний период транспортные развязки и эстакады, которые являются наиболее ответственными и уязвимыми участками автомагистралей, нуждаются в

постоянной уборке от снежно-ледяных отложений. При этом уборочная техника вынуждена передвигаться плотным строем, затрудняя и без того сложную дорожно-транспортную обстановку, особенно на криволинейных негоризонтальных отрезках.

Использование химических реагентов в зимний период радикально не упрощает сложную ситуацию - растапливая снежный накат и лёд, реагенты, сохраняясь на дорожном покрытии в виде рассола, формируют тонкую поверхностную плёнку, которая способствует возникновению вязкого аквапланирования и появлению масляно-солевого тумана [24, 28, 36, 42, 44, 45]. Смываемые с дорожного полотна растворы и взвеси как негативно воздействуют на экологическую обстановку для населения, животных и поверхностного биоценоза в целом, так и ведут к загрязнению подземных вод.

Радикальным решением проблемы зимней скользкости может служить подогрев дорожного полотна, который имеет ряд преимуществ:

• повышается первичная безопасность дорожного движения за счёт полного отсутствия гололёдной скользкости;

• повышается вторичная безопасность дорожного движения за счёт уменьшения деструктивного разрушения асфальтобетонного покрытия;

• решаются многочисленные экологические проблемы, включая уменьшение коррозионной нагрузки на элементы дорожной инфраструктуры и транспорта;

• отсутствуют затраты на приобретение, доставку и хранение антигололёдных реагентов;

• уменьшаются затраты на вывоз и плавильную утилизацию снежных отвалов;

• существенно снижаются затраты на приобретение, содержание и эксплуатацию специализированной дорожной техники, и управленческие расходы;

• многократно упрощается процедура интеграции системы управления и контроля в структуру 1Т-управления единой транспортной сетью.

К сожалению, прямая реализация такого привлекательного подхода в климатических условиях большей части России является настолько энергозатратной, что полностью лишается всякой экономической целесообразности.

Для решения транспортных задач Федеральное Правительство России объявило о начале осуществления национальных программ "Комплексный план модернизации и расширения магистральной инфраструктуры" и "Безопасные и качественные автодороги" (БКАД). При этом взят курс на развитие технологий в части их повышенной энергоэффективности (Распоряжение Правительства РФ от 19 апреля 2018 года №703-Р «Об утверждении комплексного плана мероприятий по повышению энергетической эффективности экономики Российской Федерации» и Поручение Правительства РФ от 01 апреля 2020 года №ЮБ-П9-3129 с обновлением требований).

В соответствии с поставленными Федеральным Правительством комплексными задачами, связанными с осуществлением безопасного и бесперебойного функционирования автомобильных дорог и транспортных развязок, а также необходимостью внедрения концепции «Наилучших доступных технологий» [14] в соответствии с ГОСТ Р 56828.15-2016 [7] в рамках применения новых технологических решений одежд ездового полотна на транспортных развязках в настоящей работе предлагается использование энергоэффективной низкотемпературной геотермальной системы термостабилизации одежды ездового полотна с применением тепловых насосов.

Многократное повышение энергоэффективности предлагаемой в настоящей работе методики позволяет рассмотреть возможность её практического применения с достижением всех вышеперечисленных преимуществ технологии поддержания постоянной положительной температуры поверхности дорожной одежды.

Предлагаемое комплексное решение борьбы с зимней скользкостью в дорожно-транспортной отрасли полностью соответствует современной концепции ESG-инвестирования [191] и позволяет достоверно оценить возникающие при его практическом внедрении степени рисков [13].

Актуальность данного исследования по практической применимости системы термостабилизации ездового полотна на транспортных развязках обусловлена настоятельной потребностью повышения безопасности круглогодичного движения автотранспорта и пешеходов (ГОСТ Р 50597-2017 [10]), общим улучшением экологической обстановки (ГОСТ Р 14.01-2005 [2]), а также возможностью интеграции методики в общую информационную и управляющую IT-технологию транспортной инфраструктуры (ГОСТ Р 56829-2015 [5]).

Дополнительно, внедрение предлагаемой технологии приведёт к сокращению в зимний сезон и межсезонье затрат на расчистку дорожного покрытия на транспортных развязках и пешеходных зонах, а также к замедлению деградации и деструкции дорожного полотна и, соответственно, увеличению его срока службы.

Степень разработанности темы исследования

Существенный вклад в изучение проблемы безопасной эксплуатации автомобильных дорог и транспортных развязок в зимний период внесли работы следующих отечественных и зарубежных исследователей: Альтшулер З.Е. [25], Бируля А.К. [37], Борисюк Н.В. [40, 41], Бялобжеский Г.В. [42, 43], Васильев А.П. [46], Ветрова В.В. [50], Котлярский Э.В. [90, 91], Лежоев В.Р. [103], Мазепова В.И. [108], Некрасов В.К. [123,124], Немчинов М.В. [125], Овчинников И.Г. [133], Сакута Н.Б. [154], Самодурова Т.В. [157, 158], Швагирева О.А. [169], Karuiyki M. [183], Mansour F. [189], Prichard J.J. [193], Timothy S.L.[203], Vaa T. [205].

Вопросами экологической безопасности во время зимней эксплуатации дорог с применением антигололёдных реагентов занимались следующие учёные: Белик И.С. [30], Герасимов О.А. [55], Мазепова В.И. [108], Малышева А.Г. [110],

Никифорова Е.М. [128], Николаева Л.Ф. [129], Подольский В.П. [139], Рахманин Ю.А. [145], Чудакова С.Б. [167], Watkins L.H. [208].

Общая теория теплообмена и термодинамики тепловых насосов существует с начала XX века. За прошедшее время отечественными и зарубежными учёными проделана значительная работа по совершенствованию и уточнению фундаментальных основ теории: Кирвель И.И. [75], Кузма-Кичта Ю.А. [95], Михеев М.А. [118], Lienard J.A. [185], Lund J. [186, 187], Rees S.J. [196], Tomczyk J. [204].

Рассмотрению нестационарных процессов теплопереноса в гетерогенных структурах (в том числе в почвенных слоях) посвящены научные труды: Кудряшов Н.А. [94], Лыков А.В. [106, 107], Михеев М.А. [118], Самарский А.А. [155]. Большую роль в развитии прикладных методов расчетов этих процессов сыграло появление вычислительной техники. Наибольшее распространение среди численных методов получил метод конечных элементов (МКЭ): Корн Г. [77], Никитин А.А. [126], Потемкин В.Г. [143], Руденко Н.Н. [151], Сапрыкина Н.Ю. [159], Формалев В.Ф. [166].

В последние годы проблеме повышения эффективности использования низкотемпературной геотермальной энергии для обогрева различных инфраструктурных объектов уделяли повышенное внимание. Весомый вклад в разработки внесли: Бакиева И.Д. [29], Берман Э. [32], Васильев Г.П. [47], Гашо Е.Г. [54], Пискунов А.А. [206], Половинкина Е.О. [142], Севастопольский А.Е. [161], Шеремет Е.О. [171], Eugster W.J. [177], Rafferty K. [195], Sanner B. [197], Taylor H.E. [202], William E.G. [210].

Тем не менее результаты этих трудов не могут быть в явном виде применены для решения поставленных в настоящей работе задач, так как исследования не учитывали особенностей строительства, содержания и эксплуатации мостов, эстакад, транспортных развязок и тоннелей.

Таким образом, до сих пор существует необходимость верифицированной оценки практической применимости низкотемпературной геотермальной энергии с использованием тепловых насосов для энергоэффективной термостабилизации

ездового полотна транспортных развязок на территории РФ, а также в разработке корректных методов расчёта подобных систем для увеличения области приложений классической теории.

Цель диссертации

Создание энергосберегающей системы термостабилизации одежды ездового полотна транспортных развязок для обеспечения безопасной эксплуатации в различных условиях воздействия внешней среды.

Основные задачи исследования

Для достижения поставленной цели сформулированы и поставлены следующие задачи:

• оценить существующие методы борьбы с обледенением дорожного полотна в зимний период и степень деструктивного влияния применяемых антигололёдных реагентов на структуру дорожных покрытий транспортных развязок;

• проанализировать современные достижения в использовании низкотемпературной геотермальной энергии с применением тепловых насосов в гражданском и промышленном строительстве для дальнейшего применения подобных систем в термостабилизации одежды ездового полотна транспортных развязок;

• создать физическую модель для проведения натурных экспериментов по применению системы термостабилизации одежды ездового полотна с целью разработки энергосберегающих методов борьбы с обледенением на мостовых сооружениях, эстакадах и транспортных развязках;

• создать математическую модель для описания процессов теплопереноса в экспериментальной установке, оценить степень корреляции расчётов с экспериментальными результатами и разработать теоретически обоснованную методику расчёта грунтовых теплообменников;

• рассчитать возможные деформации дорожного полотна, возникающие во время работы системы термостабилизации одежды ездового полотна транспортных развязок при различных температурных загружениях;

• сформулировать методы интеграции системы термостабилизации одежды ездового полотна транспортных развязок в интеллектуальную транспортную систему (ИТС) в соответствии с ГОСТ 56829-2015 [5];

• оценить возможный вклад системы термостабилизации одежды ездового полотна транспортных развязок в «Индекс качества городской среды» в мегаполисах.

Объект исследования

Дорожные одежды ездового полотна на транспортных развязках.

Предмет исследования

Модель системы термостабилизации одежды ездового полотна транспортных развязок, основанная на применении низкотемпературной геотермальной энергии с использованием тепловых насосов, для повышения безопасности движения автотранспорта.

Научная новизна диссертационного исследования

Основной научный результат работы заключается в разработке системы термостабилизации для одежды ездового полотна транспортных развязок. Научная новизна наиболее существенных результатов заключается в следующем:

• разработана комплексная система термостабилизации многослойной структуры одежды ездового полотна транспортных развязок на основе использования низкотемпературной геотермальной энергии с применением тепловых насосов для повышения безопасности дорожного движения;

• на примере системы термостабилизации одежды ездового полотна транспортных развязок рассмотрен информационно-технологический процесс внедрения технологии в соответствии с требованием федеральной программы по внедрению «Наилучших доступных технологий» (НДТ), который полностью

соответствует современной концепции устойчивого развития и ESG-инвестирования, в том числе для улучшения «Индекса качества городской среды» в мегаполисах.

Теоретическая и практическая значимость диссертационной работы

Теоретическая значимость диссертационной работы состоит в том, что в результате её выполнения в теоретическом плане:

• впервые предложены и теоретически обоснованы методы термодинамических расчётов для схем теплопереноса в термо-стабилизируемом ездовом полотне транспортных развязок, а также приводятся доказательства возможности использования теоретических выводов при оптимизации практической части;

• уточнены схемы математического моделирования грунтовых теплообменников;

• приведено обоснование необходимости использования сформулированных критериев эффективности на практике и получены доказательства их результативности;

• построена уточненная физическая модель в условиях применения энергосберегающей термостабилизации дорожного полотна транспортных развязок и реализован её практический проект.

Результаты проведенных изысканий открывают перспективные направления научно-практических поисков наиболее эффективных методов борьбы с зимней скользкостью на транспортных развязках.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что внедрение системы энергосберегающей термостабилизации повышает общую безопасность дорожного движения, способствует уменьшению заторов, замедляет процессы разрушения конструкций дорожной одежды, продлевая тем самым время межремонтных интервалов.

Созданный экспериментальный опытный образец термостабилизированной одежды ездового полотна и управляющий стенд с имитацией геотермального

источника позволяют оперативно проводить предварительную оценку поведения дорожного полотна в реальной обстановке и разрабатывать алгоритмы администрирования в случае интеграции в единую систему управления транспортными потоками.

Основные положения и выводы могут быть использованы проектными, строительными и эксплуатационными организациями как при создании новых, так и дооснащении уже эксплуатируемых мостовых сооружений, эстакад и транспортных развязок.

В работе обоснованы научно-технические решения для внедрения системы термостабилизации одежды ездового полотна транспортных развязок для повышения «Индекса качества городской среды» в мегаполисах.

Методы и методология исследования

В качестве методологической базы при выполнении исследований использовались основные положения термодинамики, теплофизики, теоретической механики, теории упругости, а также численные методы компьютерного моделирования и математической статистики.

Положения, выносимые на защиту

1. Модель энергосберегающей системы термостабилизации одежды ездового полотна транспортных развязок и исследовательский стенд с имитацией геотермального источника тепла;

2. Концепция создания системы термостабилизации одежды ездового полотна транспортных развязок, интегрированной в интеллектуальную транспортную инфраструктуру;

3. Результаты экспериментальных исследований и численных методов математического моделирования теплопереноса в системе термостабилизации одежды ездового полотна транспортных развязок;

4. Результаты математического моделирования температурных расширений одежды ездового полотна транспортных развязок при термостабилизации;

5. Оценка влияния разработанной технологии на долговечность нежёстких дорожных одежд ездового полотна транспортных развязок и экологическую обстановку в целом;

6. Примеры областей практической применимости разработанной технологии.

Степень достоверности результатов исследования

Точность и достоверность результатов экспериментальных исследований определяются использованием в испытаниях поверенных измерительных приборов, стандартных методов статистической отработки результатов экспериментов и применением общепринятых теоретических моделей, реализованных в верифицированных программных комплексах ELCUT и ЛИРА-САПР-2018.

Достоверность так же подтверждается высокой сходимостью показателей экспериментальных результатов и математических расчётов.

Апробация результатов

Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на заседаниях кафедры, всероссийских и международных научных конференциях:

1. III Национальная научно-практическая конференция «Инновации, развитие регионов: потенциал науки и современного образования» (РФ, г. Астрахань, 7 февраля 2020г.);

2. Аспирантские чтения ИПСС РУТ (МИИТ) (РФ, г. Москва, 28 ноября 2020г.);

3. V Всероссийская конференция с международным участием «Современное состояние, проблемы и перспективы развития отраслевой науки» (РФ, г. Москва, 2 декабря 2020г.);

4. IV Национальная научно-практическая конференция «Инновации, развитие регионов: потенциал науки и современного образования» (РФ, г. Астрахань, 8 февраля 2021г.).

ГЛАВА 1 Современное состояние проблемы борьбы с зимней скользкостью

на дорогах и транспортных развязках

1.1 Уровень значимости проблемы ликвидации зимней скользкости на

дорогах

Борьба с зимней скользкостью на дорогах России представляет настолько серьёзную проблему федерального масштаба и значения, что для её решения принимаются максимально значимые решения соответствующего уровня. Так, принят Отраслевой дорожный методический документ «Руководство по борьбе с зимней скользкостью на автомобильных дорогах» (утверждено распоряжением Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 26 сентября 2017г. № 1245-ст), где специально оговаривается, что работы по борьбе с зимней скользкостью должны обеспечивать транспортно-эксплуатационное состояние дорог, удовлетворяющее требованиям ГОСТ Р 50597-2017 и соответствовать заданному уровню содержания [20].

Большое значение имеет работа специально создаваемых комиссий службы зимнего содержания дорог. Задачи, права и обязанности, а также регламент работы этих комиссий сформулированы в правилах Министерства транспорта. Комиссии службы зимнего содержания дорог образовываются на уровне республики, округов, районов, городов и общин.

Постоянно растущий объем работ службы зимнего содержания дорог и увеличивающиеся требования к качеству работы вызывают необходимость устройства опорных пунктов зимней службы, которые представляет собой комплекс зданий и сооружений, служащих для стоянки и обслуживания машин и механизмов для зимнего содержания дорог, складирования необходимых реагентов и размещения соответствующего персонала.

Как видно, решение по надлежащему содержанию дорог в зимний период является достаточно затратной по материальным и человеческим ресурсам задачей в общей структуре дорожно-коммунальных служб.

1.2 Специфика режимов и условий работы одежды транспортных развязок

В имеющейся литературе значительное внимание уделяется развитию строения дорожных одежд на дорогах и автомагистралях, и в меньшей степени -на транспортных развязках, правила проектирования которых регламентируются ПНСТ 270-218.

Специфика работы одежды ездового полотна на мостовых пролётах транспортных развязок определяется более энергичным изменением температуры (как диапазоном значений, так и скоростью изменений), что вызвано усиленной обдуваемостью транспортной развязки и тем, что одежда ездового полотна располагается непосредственно на бетонном основании и металлической конструкции [23]. Таким образом, покрытие лишено демпфирующего действия земляного полотна, которое менее теплопроводное и более теплоёмкое по сравнению с несущими мостовыми конструкциями. При этом летом за счёт солнечной инсоляции температура одежда ездового полотна на транспортных развязках может возрастать до температур во много раз превосходящих температуру воздуха [104, 134].

В дополнение, одежда ездового полотна на транспортных развязках укладывается на плиту проезжей части чаще всего устроенной из материала с иными механическими свойствами [49, 134]. Для правильной работы одежды ездового полотна необходимо компенсировать соответствующие расхождения в показателях температурного расширения [76, 109, 133, 163].

При этом, режимы эксплуатации покрытий на транспортных развязках имеют ряд особенностей: интенсивные разгоны и торможения на выделенных полосах, повышенные тяговые и тормозные усилия на подъёмах и спусках ответвлений, приводящие к увеличению продольных сдвиговых нагрузок, двунаправленный характер нагрузок из-за криволинейного характера перемещения транспорта и разновеликие по ширине полотна значения этих нагрузок из-за возникающих центробежных сил.

В качестве дополнительных требований к покрытиям на транспортных развязках предъявляются: экономичность и предельно минимальный вес,

максимальная жизнеспособность, соответствующая сроку службы всех элементов транспортной развязки, простая взаимозаменяемость конструкционных элементов во время ремонта. [23, 38, 69, 104, 160].

Из перечисленного следует, что к одежде ездового полотна на транспортных развязках должны предъявляться аналогичные требования, как и к одежде ездового полотна на земляном полотне, но более полные и расширенные (Рисунок 1.1) [119].

Рисунок 1.1 - Свойства дорожных одежд на транспортных развязках

Дополнительно, транспортные развязки имеют расчётную ширину, проектируемую на определённый транспортный поток с учётом минимизации стоимости строительства, и поэтому любое даже незначительное сужение полотна за счёт снежных отвалов зимой является критическим и крайне нежелательным.

1.3 Первичная безопасность дорожного движения. Гололёд, снег, накат

Транспортные развязки относятся к ответственным и опасным участкам автомагистрали, пригодность которых оценивается по фрикционным признакам дорожной одежды (по условию торможения). Основополагающим свойством при скольжении тормозящего колеса по обледенелому покрытию (дорожной одежде) является значение показателя сцепления. Это значение не бывает постоянным и меняется в зависимости от типа покрытия, от состояния (изношенности) протектора и давления в шинах и скорости перемещения транспортного средства. Из работ Соколова В.С., Белинского И.А., Лежоева B.P., Кузнецова Ю.В., Миронюка Д.А., Казакова А.П., Ветровой В.В. [31, 50, 73, 96, 103, 117] следует

обобщённая зависимость от состояния покрытия значения показателя сцепления, а также минимальная величина этого значения, необходимая для обеспечения безопасности дорожного движения (рисунок 1.2).

м

1.0-

§ ® :Э Состояния покрытия

ш

1 - асфальтобетонное покрытие; 2 - цементобетонное покрытие; 3 - минимальное значение по

условиям безопасности

Рисунок 1.2 - Зависимость коэффициента сцепления от состояния

дорожного покрытия

Из рисунка следует, что величина значения показателя сцепления на скользкой, покрытой снегом и мокрой дорожной одежде понижается по сравнению с сухим покрытием в 2-4 раза, а на гололёдном покрытии - в 10 раз [96]. В осенне-зимний период несоответствие скользкости дорожного полотна требуемым условиям безопасного движения определяется наличием снежно-ледяных наслоений на покрытии, которые решающим образом влияют на рост аварийности. Вклад этих отклонений превышает суммарный вклад всех нарушений, которые могут быть допущены при строительстве - габаритов ограждения, запроектированных геометрических параметров транспортной развязки, параметров освещения и прочих дорожных факторов.

На мокром дорожном покрытии при значении показателя сцепления 0,5-0,4 (низкое значение сцепных свойств), тормозной путь автотранспортного средства, движущегося со скоростью 80 км/ч, возрастает с 70 м до 105 м. При наличии снежно-ледяных наслоений показатель сцепления снижается до значений 0,1-0,08 и неизбежно пропорционально удлиняется тормозной путь [182].

В скандинавских странах величина показателя сцепления в зимний период регламентируется - в Норвегии она не должен быть ниже 0,25 [50, 136], а в Финляндии зависит от категории дороги и должна быть в пределах 0,2-0,3 [46]. В России граничное значение показателя сцепления, требующего принятия мер по его увеличенью в зимний период, не установлено.

1.3.1 Методы механической уборки дорожного полотна зимой

Механический метод ликвидации зимний скользкости подразумевает удаление снега и наледи с дорожных покрытий транспортных развязок при помощи специализированной дорожной техники. Данный способ ликвидации снежных масс успешно применим при обильном снегопаде (аварийная ликвидация).

Современная дорожная техника способна переместить снег на необходимое расстояние, но при такой уборке снег просто с помощью уборочного ножа передвигается к краю проезжей части, создавая тем самым снежно-ледяные отвалы, сужающие полезную часть дорожного полотна. По этой причине снежно-ледяные отвалы с транспортных развязок необходимо вывозить. Перевозка снежных масс автотранспортом является трудоёмкой и дорогостоящей процедурой, вызывает дополнительную экологическую нагрузку на воздушную обстановку мегаполиса за счёт добавочного задымления её выхлопными газами и требует либо выделения специальных территорий с особыми условиями землепользования, либо доставки на снегоплавильные пункты с последующей утилизацией.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Костенко Сергей Александрович, 2023 год

- - — —

—*- —— —.— — —

Р од. . 1 0. 0. 0. а 0. о. я. а к. юо 1 рем« 1, мин. 0 120. 1 1 П. 140. 1 1 Й 160. 1 ра но. 1

Рисунок 2.31 - График изменения перепада температур теплоносителя во времени

Приводимые данные температуры термодатчиков, установленных в теле модели, указаны с погрешностью ±1оС.

Результаты эксперимента показали, что выход процесса охлаждения на стационарный режим происходил через ~2 часа (рисунок 2.32).

Л

Инфрокроснвй

ИД и — 1

«л «л и» Ен поберхностная часто иоелик.

»1) »» —.. _ — -

тпт> ч ._Гврмодагачи« 2. .—Термодапыик 3. ю.

м> N —

•он

1Л

м -- —_

Т ' ——

1 1 а : а а ' 0. ! И II га а п » рема (, м и 1 ин. III 1 а 1 а 1« < Л 1 в < ■о « 11 1

Рисунок 2.32 - График изменения температуры на поверхности и в слоях экспериментальной модели одежды ездового полотна во времени

Суммарный объём прокаченного теплоносителя в контуре модельной плиты за все время эксперимента - 4,22 м3. По прошествии 3 часов с начала исследований эксперимент остановлен и завершён.

Как следует из приводимых графиков изменения температур процесс распространения тепловой волны в теле модели является нестационарным и в общем случае может быть описан достаточно сложной системой дифференциальных уравнений при задании определённых краевых условий [94, 166].

Таким образом, в результате натурного эксперимента установлено, что при слабо меняющихся температуре окружающего воздуха (Т=30-33оС) и скорости ветра (~1м/с) характеристики поведения модели дорожного полотна следующие:

1. Процесс охлаждения модели одежды ездового полотна является нестационарным и переходит в стационарный режим примерно через 2 часа.

2. Температура поверхности модели в установившемся режиме находится в интервале 35,6-38,1оС.

3. Температура на глубине 15 мм от поверхности в середине модели опускается до 32,5оС.

4. Температура на глубине 100 мм от поверхности в середине модели находится на уровне 14,5оС.

5. Температура на глубине 160 мм от поверхности в середине модели к моменту завершения эксперимента стабилизируется на уровне 2-2,3оС.

2.6 Выбор грунтовых теплообменников на основе анализа их эффективности

2.6.1 Оценка теплопроводности и теплоемкости грунтов

Грунт, как в талом, так и в мёрзлом положении представляет собой многокомпонентную и многофазную системную совокупность. К преобладающим компонентам относятся: поровой газ, поровой раствор, и органоминеральный каркас. Влага в почве может находится в газообразной, твёрдой и жидкой фазе. И при этом теплоёмкость почвы формируется из теплоёмкости её составных элементов. Теплопроводность почвенного массива определяется соотношением жидкой, твёрдой и газообразной составляющих, их минерально-химическим составом, текстурными и структурными особенностями (слоистостью, пористостью, дисперсностью и др.), а также температурой слоёв. Значительное влияние на теплопроводные характеристики почвенной массы оказывает их плотность, не говоря уже о любом повреждении её целостности.

Показатель теплопроводности грунта (Л, Вт/м-град), определяет способность почвы проводить тепло, удельная теплоёмкость (С, Дж/кг-град) или объёмная (Ср, Дж/м3-град) - инерцию изменения температурного поля.

В агротехнической литературе существуют различные классификации почв и грунтов. Для нас представляет интерес классификация по теплопроводности. В таблице 2.1 представлены данные международного справочника АБНЯЛЕ [173].

На основании информации, представленной на рисунке 2.33 [29], можно сделать заключение, что на глубине от 17 метров температура фактически постоянна в течение всего времени и находится на уровне 10оС.

Для тщательного и более точного определения теплопроводности почвенной массы необходимо осуществить предварительные экспериментальные исследования образцов грунтов и их теплопроводности на предполагаемой

местности перед началом строительства для возможно более точного расчёта необходимых теплообменников.

Для полосы центральной Европы тепловая мощность радиогенной теплоты составляет от 0,06-0,13 Вт/м2 [197]. В том случае, когда точное значение не известно, в оценочных расчётах, как правило, принимается значение в 0,1 Вт/м2.

Таблица 2.1

Типология почвенного массива (грунта) по А8НЯАЕ

А, Вт/м-град Тип грунта Класс грунта

< 2,5 Тёплый песок (15% влажность) Очень высокая теплоёмкость

< 2,5 Тяжёлый песок (5% влажность) Высокая теплопроводность

< 2 Тяжёлая глина (15% влажность) Лёгкий песок (15% влажность) Нормальная теплопроводность

< 1,5 Тяжёлая глина (5% влажность) Низкая теплопроводность

< 1 Глина лёгкая (15% влажность) Очень низкая теплоёмкость

Температура грунта на поверхности, °С

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

0

х 15 & 16 « 17 § 18

Ъ 19 £ 20

0

Температура грунта на глубине, °С

Рисунок 2.33 - Распределение температур в структурных пластах грунтового массива вглубь в течение года и глубины установок различных типов

теплообменных коллекторов

Во время работы геотермальных теплонаносных конструкций теплохладоснабжения могут возникать ситуации, когда за время работы в зимний период температура почвенно-грунтового массива в зоне теплообменника уменьшится, а в летнее время этот массив не успеет прогреется до необходимой температуры, а значит возникнет снижение температурного потенциала. В таком случае энергопотребление в течении очередного зимнего периода вызовет дополнительное снижение температуры почвенно-грунтового массива и его тепловой потенциал опустится ещё больше. Это факт обязывает при разработке на стадии проектирования теплонаносных конструкций учитывать вопрос «усталостной устойчивости» грунтов и принимать во внимание суммарное понижение температур общего грунтового массива, вызванное многолетней работой устройств по теплоотбору [47].

2.6.2 Классификация систем отбора низкотемпературной геотермальной

энергии

Система отбора низкотемпературной геотермальной энергии почвенно-грунтового массива, иначе говоря, системы теплосбора, как правило, состоят из трубопроводов и ГПТ, присоединяющихся к теплонасосному оборудованию [196].

В Российской Федерации монтаж и пусковая наладка теплонасосных систем регламентируются ГОСТ Р 59510-2021 [15].

Как правило, можно выделить следующие типы систем теплосбора:

1. Системы замкнутого типа. В этих системах сами теплообменники размещены в почвенно-грунтовом массиве. Благодаря циркулирующему по ним теплоносителю с пониженной относительно грунта температурой совершается «отбор» тепловой энергии от почвенно-грунтового массива и перенос её к испарителю теплонасосной установки. В случае использования теплоносителя с увеличенной относительно грунта температурой происходит охлаждение теплоносителя со «сбросом» избыточного тепла в грунт;

2. Системы открытого типа. В этих системах в роли теплового ресурса для процесса теплопереноса используются подземные воды или межпластовые воды, подводимые напрямую к теплонасосной установке.

Основой открытых систем являются скважины, позволяющие использовать подземные воды и межпластовые воды из водоносных слоёв Земли и возвращающие воду назад к источнику в те же водоносные слои (рисунок 2.34). Преимуществом систем открытого типа является возможность извлечения большого количества тепловой энергии при низких затратах. Такого типа скважины нуждаются в постоянном и квалифицированном обслуживании [80]. Эксплуатация данных систем возможна не во всех местах - при проектировании необходимо учитывать требования местной администрации в вопросах подготовки и организации сточных вод. Опять же важным условием являются повышенные требования к подземным водам и к слоям грунта:

• благоприятный химико-биологический состав подземных и межпластовых вод (невысокое железосодержание и малая биологическая активность), позволяющий предотвратить появления отложений на стенках теплообменника и труб и их коррозию;

• достаточная водопроницаемость водных слоёв в почвенно-грунтовом массиве, позволяющая скважинам иметь высокий дебет воды.

Системы открытого типа зачастую разрабатывают для хладо- и теплоснабжения крупных сооружений. Система подобного типа с расчётной мощностью более 10 МВт была спроектирована для гостинично-офисного комплекса [47].

Рисунок 2.34 - Схема открытого типа отбора низкопотенциальной тепловой

энергии

К открытым системам отбора относятся также системы, использующие низкопотенциальное тепло водохранилищ, озёр и рек. Используемые при этом коллектора являются замкнутыми (герметичны). Подобные системы подразделяются на вертикальные и горизонтальные. Коллекторы помещается в водоём на глубину ниже уровня промерзания - чаще всего на его дно. Укладка выполняется кольцами, в которых циркулирует антифриз. Благодаря монтажу такой системы контура производится минимальное количество земляных работ, что делает его достаточно экономичным. Подобная технология неприменима, если водоём имеет небольшие размеры или не достаточна глубина реки. Немаловажную роль при этом играет скорость течения реки - так называемая, "проточность системы", влияющая на эффективность теплообмена.

Горизонтальный ГПТ, как правило, проектируется и в дальнейшем монтируется на небольшой глубине рядом с отапливаемым или охлаждаемым объектом. Установку коллектора выполняют в траншее ниже глубины промерзания почвы в зимний период (примерно 1,5-2,0 метра в средней полосе России). Применение горизонтальных ГПТ (коллекторов) ограниченно границами существующей площади под проектную застройку.

При условии, что система с горизонтальным ГПТ применяется только для извлечения из почвенно-грунтового массива тепла, то для её эффективной работы обязательны достаточные теплопоступления от солнечной радиации, и поэтому

поверхность над данным теплообменником не должна быть в тени. Горизонтальные ГПТ в большинстве случаев представляют изолированные трубы, уложенные более или менее плотно друг к другу и упакованные в замкнутые контура последовательно или параллельно (рисунок 2.35).

Рисунок 2.35 - Схема грунтово-почвенного теплообменника, уложенного последовательным (слева) или параллельным (справа) способом

Для экономии пространства небольшой территории под проект выработки почвенного-грунтового массива были созданы усовершенствованные типы ГПТ, например, петлевой теплообменник, имеющий форму спирали, уложенный в траншею вертикально или горизонтально. Такой тип теплообменников широко распространён в США (рисунок 2.36). Вертикальные ГПТ поддерживают теплоиспользование низкопотенциальной энергии почвенно-грунтового массива, находящегося ниже «нейтральной зоны» (более 20 метров от поверхности Земли).

Рисунок 2.36 - Схема грунтово-почвенного теплообменника, уложенного

петлевым способом

Подобные системы не зависят от интенсивности падающей на поверхность Земли солнечной радиации и не требуют больших участков площади под укладку теплообменника. Вертикальные ГПТ результативно функционируют почти во всех группах геологических сред, кроме слоёв с невысокой теплопроводностью, например, гравия или сухого песка.

На сегодняшний день системы с вертикальным ГПТ приобрели массовое распространение в странах Западной и Центральной Европы. На рисунке 2.37 изображена схема такого теплообменника. Несмотря на сравнительно небольшую историю их использования (15-20 лет) и низкую изученность, они стремительно приобретают всё большую популярность в мировой практике, что связано с дефицитом отчуждения земельных участков под теплообменники с горизонтальной компоновкой.

Основным достоинством вертикальных теплообменников является возможность формировать теплосъёмные узлы почти неограниченной тепловой

мощности, лимитированной только стоимостными оценками теплообменного оборудования и техническими возможностями буровых установок.

Рисунок 2.37 - Схема вертикального грунтово-почвенного теплообменника

При устройстве ГПТ с вертикальным расположением теплоноситель совершает циркуляцию по трубам (пластиковым или металлическим), упакованных в скважинах, глубина которых может составлять более ста метров. На рисунке 2.38 изображены схемы различных видов сечений вертикальных теплообменников.

• концентрический (коаксиальный) теплообменник. Этот теплообменник представляет из себя две коаксиально расположенные трубы разного диаметра. Данная схема может принимать и более сложную (многотрубную) конфигурацию;

• и-образный теплообменник. Этот теплообменник представляет из себя две параллельные трубы, сваренные или собранные в нижней её части. В скважине помещаются одна или несколько пар труб. Достоинством этой системы является меньшая стоимость конструкции. Наиболее широко применяются двойные И-образные вертикальные ГПТ.

Рисунок 2.38 - Схема различных видов сечений вертикального ГПТ

Для небольшого сооружения вполне хватает одного теплообменника, а для крупных сооружений может потребоваться организация целой связки скважин с ГПТ (с глубиной до 130 метров и количеством до 400 единиц [47]. В городской застройке доминируют теплообменники закрытой структуры, конструктивно похожие на фундаментные сваи, почему они и унаследовали название «энергетических» и «геотермальных» свай (рисунок 2.39).

Рисунок 2.39 - Грунтово-почвенные теплообменники в виде энергетических свай

и схема их поперечных сечений

В странах Западной и Центральной Европы вне городской застройки применяют кластерный способ укладки ГПТ. Эта геотермальная система аналогична по принципу укладки вертикальному теплообменнику, но монтаж рабочего элемента производится под углом к горизонту и объём площади

выработки меньше по отношению к горизонтальной и петлевой системе укладок [80]. Способ кластерного бурения был разработан в Европе и по энергоэффективности совершенно не уступает вертикальному ГПТ, оставаясь на сегодня самым распространённым на территории ЕС. Чтобы организовать бурение "кластерного" исходного контура необходимо пробурить колодец глубиной около 4-5 метров, где далее под углом делают нужное количество скважин глубиной до 40 метров. В целом, конструкция по форме напоминает перевёрнутый куст или корень, и по этой причине такой вид укладки исходного контура называют "бурение кустом". Выбор такой схемы определяется уровнем и характером системы подземных вод в конкретной местности. В зимний период при сильных морозах может возникать сильное промерзание грунта вокруг кластерной скважины, что, в свою очередь, может приводить к увеличению давления на фундаменты рядом построенных сооружений и стать причиной возникновения трещин в основании построек. Использование кластерных скважин недопустимо без первоначального исследования грунта. Недостатки этой технологии заключаются в высокой стоимости бурильных работ, необходимости предварительной геологической разведки, затруднённости отогрева кластерной скважины в случае серьёзного переохлаждения, ограниченности использования при повышении содержанием влаги.

В настоящее время существует новый тип конструкции ГПТ, которые эксплуатируются чуть более десяти лет. Подавляющее большинство из них на данный момент находятся Японии, Германии и Швейцарии.

На рисунке 2.40 изображена схема укладки контура теплообменника корзиночного типа. По причине компактности и энергоэффективности почвенно-грунтовые теплообменники корзиночного типа устанавливают и применяют как в новых системах, так и при реконструкции и переустройстве старых скважин с целью повышения их мощности. Сами корзинки могут быть как цилиндрической, так и конической формы [80], могут быть как сооружаемые по месту, так и заводской сборки. Цилиндрические корзиночные коллекторы изготавливаются в

трёх размерах. Тепловая мощность, указанная на рисунке 2.40, -и зависит от степени влажности и типа почвы.

ориентировочная

Рисунок 2.40 - Грунтово-почвенные теплообменники корзиночного типа

Эта конструкция за короткое время стала популярной и в других странах, так как эффективность подобного коллектора на 20-50% выше по сравнению с ГПТ петлевой и горизонтальной систем [80].

Корзины изготавливаются из металлических или пластиковых труб и устанавливаются вертикально на глубину до 25-30 м. В отдельных случаях применение данного типа почвенно-грунтового теплообменника является предпочтительным в сравнении с другими, а иногда даже и безальтернативным. В частности, когда выделенная площадь под тепловой теплообменник не может обеспечить необходимой тепловой мощности или, когда есть препятствие в получении разрешения на установку коллектора глубокой закладки.

Таким образом, на основании проведённого анализа различных систем ГПТ можно сделать вывод о перспективности применения коллекторов корзиночного типа для использования энергоэффективной низкотемпературной геотермальной системы термостабилизации одежды ездового полотна на транспортных развязках с применением тепловых насосов [80].

2.7 Выбор конструкционных материалов для системы термостабилизации

Для эффективной работы системы термостабилизации в зимний период возникает необходимость доставки теплоносителя от системы теплогенерирующих устройств и распределения до контура термостабилизации дорожного полотна с минимальными тепловыми потерями. Для решения этой задачи необходима оценка гидравлических характеристик трубопровода, определяющих перепады давления, необходимые для обеспечения требуемого расхода теплоносителя [86].

Для расчёта трубопроводный поток принимается стационарным и применяется формула Дарси-Вейсбаха [105]:

АР = А — 1, (2.3)

2й ' у ;

где:

АР - перепад давления на участке трубопровода длиной I;

й - гидравлический диаметр трубопровода;

Я - коэффициент потерь на трение по длине;

р - плотность жидкости;

V - средняя скорость по сечению трубопровода.

Формула (2.3) применима как для ламинарного, так и турбулентного течения. Различие для этих потоков определяется коэффициентами гидравлического сопротивления Я.

Для ламинарного течения в гладких трубах коэффициент потерь на трение определяется по формуле Пуазейля:

64

Л=^ (24)

где:

Яв - число Рейнольдса.

Иногда для гибких труб в расчётах принимают:

* = £ (25)

Приведенная формула справедлива для гомогенных жидкостей при стационарном ламинарном течении с учётом применения условия о нулевой скорости жидкости у стенки. При таком течении по сечению трубы возникает параболический профиль скоростей.

В расчётах турбулентного течения жидкости применяют или экспериментально полученные (табличные) значения коэффициента гидравлического сопротивления Я, или используют различные полуэмпирические и эмпирические формулы [105].

Для расчёта турбулентного течения наиболее часто используется формула Блазиуса:

т 0,316

Я = Т/я (26)

Проведенные оценочные расчёты для трубопроводов длиной 100-250 м и DN 50-80 показывают, что при применении мало вязких теплоносителей достаточно перепадов давлений в диапазоне 4-6 бар.

В таблице 2.2 представлены характеристики различных материалов для серийно производимых промышленных трубопроводов [1, 4].

Дополнительными требованиями к системе трубопроводов является отсутствие тенденции к зарастанию и устойчивость к коррозии.

Все магистрали (как питающие, так и обратные), должны теплоизолироваться. Наиболее оптимальным вариантом представляются утеплённые трубопроводы, экструдированные из молекулярно-сшитого полиэтилена (PEX) или полиэтилена повышенной термостойкости (PT-RT) с пенополиуретановым изоляционным слоем (PPU), помещенные в защитную полиэтиленовую оболочку (PE).

Таблица 2.2

Физические параметры различных трубопроводов

Параметр Материал трубы

PE-RT РЕХ-а Сталь PP-R

Коэффициент теплопроводности стенок Л, Вт/м-К 0,38 0,38 48 0,15

Модуль эластичности Е, Н/мм2 620 600 210000 1200

Разрушающее давление при температуре 20°С, DN50, бар 30 35 80 20

Разрушающее давление при температуре 80°С, DN50, бар 15 20 80 6

Срок службы трубы при соблюдении паспортных условий эксплуатации, лет 50 более 50 10-15 25

Коэффициент эквивалентной равномерно-зернистой шероховатости, мм 0,007 0,007 0,01 - 0,02 0,015

Коэффициент линейного расширения а, мм/м-К 0,18 0,20 0,0012 1,20

Максимальная кратковременно допустимая температура, °С 95 110 - 95

Максимальная рабочая температура, °С 90 95 130 90

Соединение посредством сварки с образованием гомогенного соединения + - + +

На рисунке 2.41 представлены такие трубопроводы и на рисунке 2.42 -схема их конструкции. Подобные трубопроводы промышленно выпускаются в различных номинальных сечениях ^N3.

Рисунок 2.41 - Трубопровод в защитном кожухе и пенополиуретановой изоляции предназначенный для транспортировки теплоносителя

функциональная труба из модифицированного пал иэтилеиа

изоляционный слой из пенополиуретана

гофр ир ованн ая полиэтиленовая защитная оболочка

Рисунок 2.42 - Гибкий изолированный двойной трубопровод в защитном кожухе

и пенополиуретановой изоляции

В качестве дополнительного оборудования возможна комплектация датчиками контроля температуры и системами подогрева, различными диагностическими устройствами. Важным преимуществом непрерывно экструдируемой трубы является то, что её сплошная длина может составлять сотни метров и лимитируется только габаритами намоточных барабанов. Такая форма поставок значительно уменьшает количество стыков при монтаже. Дополнительным преимуществом пластиковых труб является то, что они допускают достаточно малые радиусы изгибов (Яизг > 8ё). Пластиковые трубопроводы оптимальны, так как выдерживают необходимые давления и температуры, не зарастают и не корродируют, что позволяет рассматривать их в качестве перспективных элементов термостабилизационных магистралей [87].

2.8 Выбор схемы укладки трубопроводов для теплоносителя

Немаловажным является вопрос геометрии укладки теплоотдающих труб на криволинейных участках дорожного полотна мостов и эстакад.

Необходимо организовать такой способ укладки труб, который является наиболее эффективным и практичным с термодинамической точки зрения -тепловая нагрузка должна распределяется равномерно по всему контуру и

выравнивать локальные коэффициенты теплопередачи, предотвращая образование «тепловых ям» (рисунки 2.43 и 2.44).

На обоих рисунках термостабилизационные контуры уложены поблочно равномерной спиралью с постоянным шагом около 150 мм. Укладка ведётся от краёв пролётного строения к центру с постоянно уменьшающимся радиусом, а после достижения центра блока - в обратную сторону.

В промышленном и гражданском строительстве такой способ укладки тепловых контуров спиралью зарекомендовал себя как уверенно работающий [207]. Несмотря на то, что термостабилизационные контуры, выполняемые из предложенных выше материалов, достаточно надёжны, схема, представленная на рисунке 2.44, более ремонтопригодна из-за упрощённой процедуры детектирования локаций возможных протечек и необходимости перекрытия только половины полос движения магистрали при возникновении аварийной ситуации или необходимости проведения плановых профилактических работ [88].

Рисунок 2.43 - Схема сплошной укладки термостабилизационного контура

одежды ездового полотна.

Рисунок 2.44 - Схема дискретной укладки термостабилизационного контура

одежды ездового полотна.

2.9 Выводы по главе 2

1. Проведенные натурные эксперименты по темостабилизации модельной плиты (подогрев в зимний период и охлаждение - в летний) показали возможность практического применения энергоэффективной низкотемпературной геотермальной системы термостабилизации одежды ездового полотна на транспортных развязках с применением тепловых насосов.

2. Экспериментально определенный удельный тепловой поток для термостабилизации 1 м2 дорожного полотна в зимний период составляет 500-600 Вт. Применение системы теплового насоса с переносом тепла от тепловой емкости, имитирующей почвенно-грунтовый накопитель с постоянной температурой 11оС, позволило снизить энергопотребление до уровня, не превышающего 150 Вт.

3. Система охлаждения продемонстрировала, что её применение является обоснованным только при использовании уже эксплуатируемых термостабилизационных установок при переводе их в реверсивный режим.

4. На основании проведенного анализа различных систем почвенно-грунтовых теплообменников сделан вывод о перспективности применения коллекторов корзиночного типа для повышения эффективности теплогенерации

при максимально рациональном использовании свободных территорий для организации теплосъёмных полей.

5. Анализ гидравлических характеристик одного из ключевых компонентов термостабилизационного энергокомплекса - системы транспортировки теплоносителя от генерирующих узлов к теплообменникам, расположенным непосредственно в дорожном покрытии, - показал перспективную технологическую применимость пластиковых теплоизолированных магистралей, использующих трубы из полимерных материалов РЕХ-а и РЕ-ЯТ.

6. Дискретный способ укладки трубопроводов в силу своей повышенной ремонтопригодности является предпочтительным.

ГЛАВА 3 Математическое моделирование поведения прототипа при термостабилизации в различных условиях внешней среды

3.1 Параметры термостабилизации в зимних условиях 3.1.1 Дифференциальная форма расчетов

Модель дорожной одежды со встроенной системой термостабилизации показана на рисунке 3.1 [85, 86]. Для расчета нестационарного теплообмена может быть задействован математический образ, предлагаемый Лыковым А.В. [106].

В настоящем разделе рассматриваются только основные принципы построения математической модели и определение краевых условий для её решения.

Асфальтобетонный слой _,,

Асфальтобетонный слой _(,

Стальная сетка ячейкой (70x70) ,,

Высокопрочный бетон _<,

Стальная сетка ячейкой (70x70)_,,

Теплоизолирующий лист (пеностекло) ,,

Гидроизоляция клеящий слой _, (

Железобетонная плита + выравнивающий слой _11

Металлополимерная труба d 20x2 мм

Рисунок 3.1 - Модель дорожной одежды на транспортной развязке для решения

задачи теплообмена

Математическая модель тепломассопереноса в системе термостабилизации дорожной одежды потребует исследования распределения влажности и температуры в направлении перпендикулярном поверхности полотна. Тепломассоперенос в каждом структурном слое может быть представлен при помощи уравнений с дифференциальными значениями перехода в слоях [107]:

д

ди д ( ди\ д ( ди\ д ( о дТ\ д ( дТ\

где:

и - показатель влагосодержания, кг/кг;

Т - температура, К;

Л - теплопроводность, (Вт/м-К);

t - время, с;

8 - термоградиентный показатель;

ат - показатель диффузии влаги м2/с;

ар - теплоёмкость при постоянном давлении, Дж/кг-К.

Краевое условие для температуры верхней части дорожной поверхности определятся балансом между теплопроводным переносом теплоты к верхнему поверхностному слою ц, интенсивностью теплопоглощения или тепловыделения при фазовых перемещениях вода-пар Цфп или снег-вода цпл, конвективным цконв и радиационным црад потоками, и теплом, расходуемым на нагрев тонкого слоя воды, образовавшегося после оттаивания снежной массы до температуры покрытия цн :

Ч + Чрад + Чконв + Чпл + Чф.п + Чв = 0 (3.3)

Краевое условие для влагосодержания на верхней плоскости дорожной поверхности определяется как баланс между потоками:

Чт + Чтпл + Чтфп 0 (3.4)

где:

цт - общий поток влаги из-за градиента влагосодержания к верхней плоскости слоя дорожной одежды;

Чтфп - процессы конденсации и испарения;

Ятпл - процессы таяния снежной массы.

Краевые условия для теплообмена между бетонным основанием и теплоносителем в трубе:

дТ

- аб-ж(Тст - ТЛ (3.5)

и теплообмена между асфальтобетоном и бетоном:

1 дтб

_ л дТаб - -Ааб

. (3.6)

б-аб

б-аб иб дп

где:

аб-ж - показатель теплоотдачи от теплоносителя к битону, Вт/м2-К;

"а/аб" - граница между асфальтобетоном и бетоном;

"аб" - перенос к асфальтобетону;

"б" - перенос к бетону;

"ст" - перенос от разогретой трубы к бетону.

В качестве начальных состояний для слоистой структуры с могут быть определены постоянные распределения температуры (Т) и влажности (и):

Т(0,х,у)-Т0, и(0,х,у)-и0 (3.7)

В случае произведённых упрощений математическая модель тепломассопереноса в дорожной одежде с системой термостабилизации, будет описываться уравнением теплопроводности:

№ ) + Ту№у ) (3.8)

Показатель плотности материала (Р), теплоёмкость (ср) и теплопроводность (Я) при постоянном давлении различаются для структурных слоёв асфальтобетона (аб) и бетона (б):

Ср

Л р

Сраб, К <У<Н Срб, 0 < у <

Лаб, К <У<Н Лб,0<у<к± '

Раб,К <У<Н Рб,0<у<кг '

(3.9)

(3.10)

(3.11)

На вертикальных границах модели применимы условия симметрии теплового поля:

дт

дх

х=0 дх

= 0. (3.12)

х=Ь/2

Процесс теплообмена определяются соотношением Ньютона-Рихмана:

Лт

ду

= аб-Гр(Т - Тгр). (3.13)

у=0

где:

аб-гр - параметр теплоотдачи от подогреваемого слоя к структурным слоям дорожной одежды, Вт/м2-К.

Краевые условия непосредственно на поверхности дорожного полотна поверхности определяются тепловым излучения, конвективным теплопереносом, а также фазовыми переходами вода-пар и снег-вода (3.3).

В такой форме может быть представлена нестационарная математическая модель теплопереноса в слоистой структуре с внутренними источниками тепла. Решение этой задачи в явном аналитическом виде является достаточно сложной математической задачей [106, 196] и не входит в рамки настоящей работы. Численное решение по заданному алгоритму возможно на расчётной компьютерной платформе МЛТЬЛБ [143].

3.1.2 Интегральная форма расчетов

Для описания процесса термостабилизации экспериментальной модели одежды ездового полотна в зимний период при оттаивании поверхностной наледи проведены оценочные расчёты тепловых потоков и потребных нагревательных мощностей для установления корреляции с вышеприведенными экспериментальными результатами.

Поскольку расчёты являются оценочными, то были приняты следующие допущения:

1. В период после установления стационарного теплового потока зависимость температуры от вертикальных координат описывается линейной зависимостью; градиент температуры - постоянен;

2. Для учёта неравномерности нагрева по горизонтальной координате бетонный блок может быть представлен как суперпозиция 3-х элементов теплоизолированных по периметру и не взаимодействующих друг с другом через боковые стенки;

3. Уравнения теплопереноса рассматриваются в интегральном виде;

4. Нагрев нижней части блока - равномерен по всей поверхности;

5. Значения термодинамических коэффициентов принимаются усреднёнными табличными [61].

Схема распределения стационарного теплового потока для параллелепипеда с теплоизолированными боковыми стенками состоит из трёх частей:

1. Теплопроводная (кондуктивная) теплопередача от нагревателя через толщу бетона к поверхности;

2. Радиационный теплоперенос;

3. Конвективный перенос тепла от поверхности блока к воздуху;

4. Расход тепла для фазового перехода (таяния) льда.

Потерями по п.2. можно пренебречь ввиду его незначительности.

В первоначальных оценках мы временно пренебрежём тепловыми потерями по п.4., но в дальнейшем - рассмотрим возможные поправки на эту составляющую.

Таким образом, уравнение стационарного состояния системы для каждого выделенного элемента должно удовлетворять равенству двух тепловых потоков -теплопроводного через объем бетонного параллелепипеда (уравнение Фурье) и далее - конвективного через пограничный слой (уравнение Ньютона-Рихмана) [79, 118]:

Р = &• Б Тх))/к = а • Б •(Т1-Тв) (3.14)

где:

Р - полная мощность тепловых потерь (тепловой поток), Вт;

5 - площадь сечения параллелепипеда (блока), м2;

Т2 - температура нагреваемой (нижней) грани блока, К;

Т1 - температура поверхностной (верхней) грани блока, К;

Тв - температура окружающего воздуха, К;

И - высота блока, м;

X - коэффициент теплопроводности (удельная теплопроводность), Вт/(м-К);

а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К).

Из этого уравнения можно найти температуру поверхности блока при установившемся процессе теплопереноса:

Тг = (Л^Т2 + к^а^Тв)/(к^а + Л) (3.15)

Коэффициент теплопроводности X для бетона берется из справочных таблиц №№7,9 СНиП 2.03.04.84 2. При этом с учетом примечаний №№ 2,3 к таблице №7:

• коэффициент теплопроводности бетонов с естественной влажностью после нормального твердения или тепловой обработки при атмосферном давлении при средней температуре бетона в сечении элемента до 100°С следует принимать по данным таблицы, увеличенным на 30%;

• для промежуточных значений температур величину коэффициента теплопроводности определяют интерполяцией;

Таким образом, в расчетах принимается X = 2,1 Вт/(м-К) при 0оС (273К);

Коэффициент теплоотдачи а - рассчитывается в соответствии с требованиями СНиП 2.03.04.84 часть 2 по формуле:

а = 5,8 + 11,6^ (3.16)

где V - скорость ветра в м/с.

Таблица 3.1

Зависимость коэффициента теплоотдачи от скорости ветра

V,м/с 0 5 10 15 20

а, Вт/(м2-К) 5,80 31,74 42,48 50,73 57,68

В условиях эксперимента скорость ветра составляла 3-5 м/с (11-18 км/час, по данным Росгидромета). Таким образом, в расчётах а принимается равным 30 Вт/(м2-К).

В соответствии с формулой (3.15) расчётная температура верхней поверхности блока должна установиться на уровне +5,7оС, что коррелирует с экспериментальным данными ~ +5оС в центральной части и подтверждает правильность оценочных расчетов.

Установившийся удельный поток тепла Р (удельное теплопотребление) составит в соответствии с формулой (3.14) - 498,75 Вт/м2 (или около 0,5 кВт/м2), что коррелирует с ЛБИЯЛЕ [173].

Общее удельное количество перенесенного к модельной плите тепла за промежуток времени составит:

Q = P• М (3.17)

где:

Q - общее количество перенесённого тепла, Дж;

Р - удельный поток тепла, Вт/м2

Лt - время теплопереноса, с.

Удельное количество тепла, отданного теплоносителем за промежуток времени Л ? составит:

Q = Vyд• рщ СуА • ЛТ• Л1 (3.18)

где:

Q - общее количество отданного тепла, Дж;

Ууд - удельный объем (расход) проходящего теплоносителя, м3;

р - плотность теплоносителя, кг/м3

Суд - удельная теплоёмкость теплоносителя, кДж/(кг-град);

ЛТ - изменение температуры теплоносителя, К.

Приравнивая тепловые потоки в уравнениях для получения удельного расхода теплоносителя (3.17) и (3.18), получаем:

Vуд = Р/(р•сyд• ЛТ) (3.19)

В эксперименте при установившемся режиме теплообмена ЛТ составило 0,3оС. Теплоемкость воды при +45оС принимаем 4178 Дж/(кг-град), плотность -1000 кг/м3.

При указанных параметрах Ууд (объем воды за 1 сек на 1 кв.м поверхности блока) - 4-10-4 м3/(сек-м2) или 0,4 л/(сек-м2).

Площадь верхней грани блока в эксперименте составила 1,52*0,75=1,14 м2. Таким образом, расход воды должен был составить 4,510-4 м3/(сек-м2) или 1,64 м3/час для установившегося стационарного режима теплопереноса.

За время с 4-го по 6-ой час прошедший объем воды составил 3,55 м3, что коррелирует с расчётными 3,28 м3 (при общем расходе воды за все время эксперимента - около 10,82 м3).

Рассмотрим поправки на теплопотери, связанные с таянием поверхностного слоя льда.

Примем толщину льда и образующейся воды И = 1 мм (1-10-3м), начальную температуру - Тв, конечную - Т], удельную теплоемкость льда при -10оС сл = 2000

Дж/(кг-град), удельную теплоемкость воды при 0оС Св = 4218 Дж/(кг-град), удельную теплоту таяния льда Хл = 333500 Дж/кг, плотность льда рл = 919 кг/м3, плотность воды рв = 1000 кг/м3, пренебрежем теплообменом с окружающей средой.

Таким образом, процесс таяния разобьётся на 3 стадии:

• нагрев льда от Тв до 0оС;

• фазовый переход;

• нагрев воды от 0оС до Т1

Необходимое удельное количество тепла (на 1 м2 поверхности): Q = h• (273,15 -Тв) + к^ р^Хл + к^ р^ с^ (Т - 273,15) (3.20)

Расчётная величина поправки на удельные теплопотери, связанные с таянием поверхностного слоя наледи толщиной 1 мм составит 346,8 кДж или 96,3 Вт-час.

Если принять выше подсчитанную удельную мощность для установившегося потока теплообмена 500 Вт/м2 (т.е. энергопотребление 0,5 кВт-час/м2), то энергопотребление в случае таяния тонкой корки льда в 1 мм возрастает примерно до 0,6 кВт-час/м2 или на 20%.

Приняв плотность свежевыпавшего сухого снега 40-60 кг/м3 [172], можно сказать, что энергопотребление возрастает на 20% на каждые 15 мм осадков в зимний период при температурах ниже -10оС.

Общее количество потреблённой электроэнергии в эксперименте с прямым нагревом теплоносителя (измеряемое электросчетчиком прямого включения) - 9,8 кВт-час (с учётом расхода на предварительный нагрев полного объёма теплообменника и всех элементов установки).

В этом же эксперименте в стационарном режиме энергопотребление всего модельного объекта за 2 последних часа эксперимента составило 1,2 кВт-час. Полученные результаты хорошо коррелируют с расчетными: удельная мощность

теплосъёма —500 Вт/м2, площадь поверхности плиты —1,15 м2, время измерений -2 часа (0,5 кВт/м2 х 1,15 м2 * 2 часа = 1,15 кВт-час).

В эксперименте с применением компрессорного блока зафиксированное интегральное энергопотребление компрессора (по счетчику) за последние 2 часа составило 0,33 кВт-час. Таким образом, повышающий коэффициент теплового насоса в эксперименте составил —3,6.

3.2 Интегральные параметры термостабилизации в летних условиях

Для аналитического описания процесса холодильной термостабилизации экспериментальной модели одежды ездового полотна в летний период при прямом нагреве солнечным излучением проведены оценочные расчёты тепловых потоков для установления корреляции с вышеприведенными экспериментальными результатами.

Поскольку расчёты являются оценочными, то были приняты следующие допущения:

1. В период после установления стационарного теплового потока зависимость температуры от вертикальных координат описывается линейной зависимостью; градиент температуры - постоянен;

2. Уравнения теплопереноса рассматриваются в интегральном виде;

3. Теплоотвод с нижней части блока - равномерен по всей поверхности;

4. Значения теплофизических коэффициентов всех сред принимаются усреднёнными табличными.

Схема распределения тепловых потоков для параллелепипеда с теплоизолированными боковыми стенками состоит из:

1. Солярный нагрев поверхности блока;

2. Конвективный перенос тепла между атмосферным воздухом и поверхностью блока;

3. Радиационное тепловое излучение нагретой поверхностью блока в окружающую воздушную среду;

4. Теплопроводная теплопередача от поверхности блока через толщу бетона к основанию;

5. Съём перенесенного тепла циркулирующим теплоносителем с последующим теплопереносом во внешнюю охлаждающую среду.

Таким образом, условие стационарного состояния системы должно удовлетворять равенству двух полных тепловых потоков через пограничный слой поверхности модели - приходящего (солярного) и отходящего (конвективного за счёт набегающего потока ветра, теплопроводного через объем бетонного параллелепипеда и радиационного). Конвективная составляющая описывается уравнением Ньютона-Рихмана, теплопроводная - уравнением Фурье, радиационная - уравнением Стефана-Больцмана [75, 81]:

р = р^5 = л-$-(.Т1-т2) + а • 5 • (тв-Т) + £ • а • 5 • (Т* - Т*) (3.21)

где:

Р - полная мощность тепловых потерь (тепловой поток), Вт; Рс - плотность тепловой солярной мощности нагрева, Вт/м2; 5 - площадь поверхности параллелепипеда (блока), м2; Т2 - температура охлаждаемой (нижней) грани блока, К; Т1 - температура верхней грани блока, К; Тв - температура окружающего воздуха, К; И - высота бетонного блока, м; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К);

А - коэффициент теплопроводности блока (удельная теплопроводность),

Вт/(м-К). е - степень черноты поверхности;

а - постоянная Стефана-Больцмана (5,67-10-8), Вт/(м2-К4). Коэффициент теплопроводности А для бетона берется из справочных таблиц №№7,9 СНиП 2.03.04.84 2 с учетом примечаний №№ 2,3 к таблице №7.

Значение степени черноты (коэффициента излучения) поверхности бетона -берётся из справочных таблиц [75].

Наиболее сложным представляется вычисление коэффициент теплоотдачи а, для которого существуют различные подходы, основанные на:

• эмпирической зависимости, рекомендованной СНиП 2.03.04.84 часть 2;

• упрощенных оценочных расчётах;

• достаточно точных расчётах, опирающихся на критерии подобия (числа Рейнольдса (Яв), Прандтля (Рг), Грасгофа (Ог) и Нуссельта ( N11)) [75].

В работе был принят последний вариант, который даёт оценочную величину в 3,85 Вт/(м2-К) при скорости ветра в 1 м/сек.

В соответствии с формулой (3.21) расчётная (через резольвенту [75, 77]) температура верхней поверхности блока должна установиться на уровне 36,4оС, что коррелирует с экспериментальным данными ~ 35,6-38,1оС в центральной части модели и подтверждает правильность оценочных расчётов.

Установившийся удельный поток тепла Р составит в соответствии с формулой (3.21) ~ 0,45 кВт/м2.

Зная общий тепловой поток (равный подводимой к образцу солярной энергии), можно оценить вклады различных процессов теплопереноса в суммарный результат (рисунок 3.2).

4,72% 3,78%

1 - конвективный теплоперенос; 2 - теплопроводный теплоперенос; 3 - радиационный

теплоперенос

Рисунок 3.2 - Вклад различных процессов теплопереноса в охлаждение модели. Слева - до начала эксперимента, справа - при установившемся стационарном

режиме

Общее количество тепла, снятого теплоносителем за промежуток времени Лt составит:

Qуд = Ууд• ЛТ• Л1 (3.22)

где:

Qуд - общее удельное количество отданного тепла, Дж;

Ууд - удельный объём (расход) проходящего теплоносителя, м3;

р- плотность теплоносителя, кг/м3;

Суд - удельная теплоёмкость теплоносителя, кДж/(кг-град);

ЛТ - изменение температуры теплоносителя, К.

Отсюда можно оценить расчётный расход теплоносителя (воды) для установившегося стационарного режима теплопереноса, который при разнице температур в питающей и обратной ветках ~0,3оС должен составить 1,36 м3/час. За время с 2-го по 3-ий час прошедший объём теплоносителя составил 1,42 м3, что коррелирует с расчётным значением.

Экспериментально зафиксированное интегральное энергопотребление компрессора с 2-го по 3-ий час (измеряемое электросчетчиком прямого включения) составило 0,19 кВт-час. Таким образом, коэффициент трансформации теплового насоса в эксперименте составил ~2,5.

Полученные результаты для холодильной термостабилизации опытного образца одежды ездового полотна в проведенном эксперименте позволяют судить о возможности практического применения предложенного метода.

Поддержание температуры поверхности асфальтового покрытия на уровне, не превышающем 40оС, позволяет существенно снизить остаточные пластические деформации, уменьшить колейность дорог, что в целом позволяет уменьшить аварийность и повысить общую безопасность движения.

Снижение температуры хотя бы до 40оС достаточно для стабилизации, так как реологические свойства асфальтобетонных покрытий претерпевают значительные изменения в сторону ухудшения эксплуатационных характеристик

начиная с 45-50оС. Это в первую очередь относится к резко нарастающим нерелаксирующим деформациям [71, 81].

Снижение температуры также положительно сказывается на существенном уменьшении экологически вредных выбросов асфальтовыми битумами, что особенно востребовано в городах и крупных населенных пунктах.

Следует отметить, что применение предложенного метода только для процедур охлаждения дорожных покрытий в летний период вряд ли будет экономически целесообразным в средней полосе России. Это связано с необходимостью значительных капиталовложений при относительно небольшом количестве действительно жарких безоблачных и бездождевых дней в году.

Однако, в случае внедрения нагревательных установок, использующих низкотемпературную геотермальную энергию в зимний период, внесение незначительных изменений в аппаратную часть конструкции, позволяющее перевести действующее оборудование и в инверсный (холодильный) режим, будет, совершенно очевидно, крайне востребованным.

Полученные экспериментальные результаты удовлетворительно коррелируют с расчетными, демонстрируя возможность и оправданность применения теоретического моделирования для предварительных оценок параметров и характеристик промышленных тепловых насосов, а также оценке экономической эффективности и целесообразности их применения.

3.3 Численный расчет грунтово-почвенных теплообменников (ГПТ)

Аналитические методы рассматривают ГПТ либо как линейный или цилиндрический источник, определяющий температурную чувствительность отдельной скважины к равномерному во времени или импульсному отводу тепла [196]. Поведение ГПТ определяется изменениями температуры на входе и скорости потока, возникающими при работе системы. Следовательно, температура на входе и скорость потока являются естественными граничными условиями для применения в моделях с участием бесконечного линейного

источника, который начинает непрерывно генерировать тепло. Решение с конечным линейным источником может лучше отображать режим работы ГПТ.

Исходное линейное решение было дано Уайтхедом (1927г.) в виде бесконечного ряда. Позже решения для линейного источника были сформулированы Ингерсоллом и Плассом (1948 г.) и Карслоу и Джагером (1959г.) [196].

Точное аналитическое решение задачи представляется затруднительным, поэтому для расчетов представляется целесообразным прибегнуть к численным методам.

Численные методы, такие, как, например, метод конечных разностей, метод конечных элементов, метод конечного объема, как правило, ограниченно применимы для целей проектирования, что связано с большим разнообразием масштабов длины и масштабов времени, которые необходимо рассматривать при теплопередаче в стволе скважины и окружающем грунте.

Как правило, обычно используются комбинированные методы с учетом фактора отклика, которые часто полагаются на принцип суперпозиции.

На подобной математической модели перемещающегося (нестационарного) процесса теплоотбора основана прикладная программа «ELCUT», разработанной в Санкт-Петербурге на предприятии «Тор» (https://elcut.ru/).

Программа позволяет рассчитать оптимальные параметры для системы теплоотбора с учётом климатических состояний выбранного пространства (территории) при создании транспортного сооружения, эксплуатационных характеристик циркуляционных насосов, теплонасосного оборудования, системы тепло- и хладоснабжения [126].

Для практической оценки низкопотенциального теплового потока к ГПТ была выбрана термальная модель, изображённая на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Расчётная термальная модель ГПТ (Ял - внутренний радиус обсадной трубы, Я2 - радиусы изотермических поверхностей)

Для данной модели действуют следующие допущения:

1. Слои почвенно-грунтового массива охлаждаются последовательно и ступенчато до такой же температуры, как и ГПТ. При этом первый структурный почвенный слой, использовав собственный тепловой ресурс, мешает тепловому потоку от последующего слоя грунта к теплообменнику, входя в следующей итерации в расчёт суммарного теплового потока как термическое сопротивление;

2. Температура почвенно-грунтового массива снижается ступенчато по мере удаления от теплообменника.

Для изучения зависимости удельного термального потока к ГПТ был выбран следующий вид почвы:

Глина и суглинки:

Объёмная теплоёмкость =3150000Дж/(м3-°С);

Плотность ргр =1,6 т/м3;

Влажность ^ = 26 %;

Теплопроводность Лгр =1,52 Вт/(м-К).

Первоначальные показатели для расчёта:

Температура грунта 11°, температура теплоносителя на подаче 5°.

Средняя температура теплоносителя рассчитывается как среднелогарифмическая разность температур на входе и выходе [151] и равна 8,22°С.

На базе проведённого расчёта была выстроена диаграмма зависимостей теплового потока от изотермы грунтовой поверхности.

При проектировании системы скважин следует учитывать, что, с одной стороны, с увеличением грунтового объёма на каждую скважину увеличивается количество снимаемого тепла, но, с другой стороны, увеличивается тепловое сопротивление, ухудшающее теплоперенос. Для определения оптимальной геометрии скважного узла и, соответственно, приходящейся на один погонный метр скважины мощности теплосъёма, были проанализированы графики зависимости теплового потенциала скважины Q и грунта Qv от радиуса изотермической плоскости. Максимально результативный удельный тепловой поток составляет 25 Вт при радиусе скважного узла 2,25 м (рисунок 3.4). Этот расчёт является оценочным, так как не учитывает нестационарный характер теплопереноса.

Расчёт нестационарного теплопереноса осуществлялся с использованием компьютерной платформы «ELCUT». Для назначенной геометрии, граничных и начальных условий задачи шаг сечений модели подбирается автоматически с учётом необходимой точности решения.

оГ