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        室外給排水管道內(nèi)熱媒傳導(dǎo)對(duì)多年凍土的影響研究

        2022-02-25 10:52:46姜海濤王越張壽紅袁琦吳君
        低溫建筑技術(shù) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:模型

        姜海濤, 王越, 張壽紅, 袁琦, 吳君

        (中國(guó)鐵路青藏集團(tuán)有限公司,西寧 810000)

        0 引言

        經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),青藏高原地區(qū)鐵路沿線(xiàn)生產(chǎn)生活用房給排水管道存在排水功能失效、地層脫空等問(wèn)題,嚴(yán)重影響鐵路工作人員正常的工作和生活環(huán)境,尤其給排水系統(tǒng)不良影響基本生活需求。

        查閱文獻(xiàn)[1,2],多年凍土在4m深度以下溫度維持在-2℃左右,單獨(dú)埋設(shè)給水管容易發(fā)生凍結(jié),造成給水系統(tǒng)凍結(jié)失效。目前工程上有采用電伴熱解決隧道排水溝凍結(jié)和低溫環(huán)境供水管道防凍問(wèn)題[3,4],但電伴熱在高原地區(qū)給水管道系統(tǒng)應(yīng)用后,時(shí)常出現(xiàn)工作失效問(wèn)題,難以維修。因此現(xiàn)場(chǎng)給水管道的設(shè)計(jì)在充分考慮當(dāng)?shù)丨h(huán)境因素影響后[5],設(shè)計(jì)為鑄鐵管外包保溫層,鑄鐵管內(nèi)通給水管和熱媒管路,熱媒管路可以使得鑄鐵管內(nèi)保持恒溫,防止給水管凍結(jié),保溫層可以削弱管內(nèi)溫度向多年凍土的傳遞,保護(hù)多年凍土,也可以防止凍土融化導(dǎo)致地層沉降引起管道的破壞,但結(jié)合保溫板應(yīng)用于季凍區(qū)路基防凍脹僅能減小凍脹的產(chǎn)生,并不能消除凍脹這一病害[6-8],說(shuō)明保溫措施并不能隔絕熱量的傳遞。

        文中通過(guò)構(gòu)建給水管道系統(tǒng)模型,討論不同保溫材料在熱媒傳導(dǎo)下對(duì)多年凍土溫度變化的影響,通過(guò)對(duì)比選擇較優(yōu)的保溫材料,為現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用提供參考建議。

        1 給水管道系統(tǒng)模型及方案

        1.1 給水管道系統(tǒng)模型尺寸確定

        由熱傳遞計(jì)算式(1)可得[9]:熱量傳遞與導(dǎo)熱系數(shù)、傳熱面積和溫度變化率有關(guān),但目前很難從傳熱面積和溫度變化率方面出發(fā)去降低熱量傳遞大小,僅能通過(guò)改變導(dǎo)熱系數(shù)這一材料性能參數(shù)來(lái)削弱熱量傳遞。

        式中,Ф為單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量,W;T為溫度,℃;x 為導(dǎo)熱面上的坐標(biāo),m;A 為傳熱面積,m2;λ為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·k)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè),鑄鐵管外徑為300mm,自來(lái)水PE管外徑為100mm。根據(jù)試驗(yàn)需要,將鑄鐵管外徑縮小為60mm,用鍍鋅管代替,PE管外徑縮小為20mm,整個(gè)模型為60cm×30cm×50cm(長(zhǎng)×寬×高),如圖 1所示。

        圖1 給水管道系統(tǒng)模型

        1.2 試驗(yàn)方案

        試驗(yàn)主要研究熱媒給水管道系統(tǒng)在鍍鋅管外包裹不同材質(zhì)保溫材料后,對(duì)周?chē)嗄陜鐾翜囟茸兓挠绊?,通過(guò)對(duì)比不同保溫材料對(duì)多年凍土的保護(hù)效果,為現(xiàn)場(chǎng)管路保溫材料的選擇提供指導(dǎo)和建議。試驗(yàn)方案如表1所示。

        表1 給水管道試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

        1.3 方案步驟

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況并綜合考慮試驗(yàn)效果,擬選用粉土作為試驗(yàn)用土,經(jīng)測(cè)定該土樣最優(yōu)含水率和最大干密度分別為 ωop=16%,ρdmax=1.81g/cm3。

        (1) 首先,將篩分好的試驗(yàn)用土做烘干處理;其次,根據(jù)土樣基本物性配制含水率為16%,密閉靜置一晝夜,使水分在土體中分布均勻;再次,等土料靜置完備后,將土樣分層放入模型槽中并按規(guī)定壓實(shí)度(70%)進(jìn)行擊實(shí),并在每層中心處放置溫度傳感器。當(dāng)土樣裝填到管件安裝位置時(shí),將鍍鋅管和保溫棉組裝完成放入模型槽中并繼續(xù)進(jìn)行填土擊實(shí),直到填滿(mǎn)模型槽結(jié)束。模型槽內(nèi)溫度傳感器布置如圖2所示,熱媒管路和自來(lái)水管位置如圖3所示。

        圖2 溫度傳感器埋設(shè)位置示意圖(單位:mm)

        圖3 熱媒管路和自來(lái)水管路示意圖

        (2) 將模型槽放入高低溫凍融環(huán)境試驗(yàn)箱中,調(diào)節(jié)箱內(nèi)溫度,考慮到土樣體積較大,為保證土完全凍結(jié),模型槽需在試驗(yàn)箱凍結(jié)一段時(shí)間并通過(guò)觀(guān)察溫度傳感器的數(shù)據(jù)來(lái)確定是否達(dá)到-2~-3℃左右。

        (3) 凍結(jié)完成,土體達(dá)到目標(biāo)溫度后,將自來(lái)水PE管和熱媒循環(huán)管路放置于鍍鋅管內(nèi)并固定各管路位置,使各管壁具有一定間隔。為防止外界溫度對(duì)模型槽內(nèi)凍土溫度變化所產(chǎn)生的影響,將模型槽每個(gè)面用30mm厚保溫材料包裹密封。設(shè)置高低溫凍融環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)溫度為-2℃。然后開(kāi)啟冷浴機(jī),調(diào)節(jié)冷浴機(jī)工作溫度為5℃,來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)管內(nèi)溫度,通過(guò)溫度采集裝置來(lái)觀(guān)察管內(nèi)溫度對(duì)周?chē)鷥鐾廉a(chǎn)生影響。

        2 試驗(yàn)結(jié)果分析

        2.1 不同保溫材料下熱媒對(duì)土體溫度變化分析

        土樣在凍結(jié)完成后,溫度基本保持在-2.5~3℃左右,然后經(jīng)過(guò)3d的熱媒(5℃)加熱后,包裹不同保溫材料的鍍鋅管對(duì)周?chē)馏w溫度變化有一定的影響,導(dǎo)致土體溫度有明顯上升趨勢(shì),如圖4、圖5所示。

        圖4 聚氨酯保溫材料下熱媒對(duì)土體溫度變化

        圖5 巖棉保溫材料下熱媒對(duì)土體溫度變化

        通過(guò)圖4、圖5可以看出土體溫度變化率為先增大后減小的趨勢(shì),這主要是由于熱媒能夠使鍍鋅管壁維持恒定溫度T0,管壁雖然包裹保溫層,降低了與土體間的導(dǎo)熱系數(shù)λ,但僅能削弱熱量在管壁與土體間的傳導(dǎo),并不能消除熱量的傳遞過(guò)程;管壁熱量引起土體溫度升高,土體溫度升高導(dǎo)致管壁與土體的溫差減小,由式(1)和溫度變化圖可得到溫度變化率降低(a

        2.2 土體溫度擬合分析

        由于試驗(yàn)條件限制,試驗(yàn)僅進(jìn)行72h熱媒加熱,得到了土體溫度上升的趨勢(shì),但并未使得土體溫度達(dá)到0℃以上;為了進(jìn)一步分析兩種保溫材料在長(zhǎng)時(shí)間作用下對(duì)土體升溫抑制的效果,選取兩次試驗(yàn)開(kāi)始溫度相差不多的鍍鋅管下層土體,以試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對(duì)距管壁30、100、170cm處土體溫度進(jìn)行擬合處理。擬合公式如表2、表3所示。

        表2 聚氨酯保溫材料下土體溫度擬合方程

        表3 巖棉保溫材料下土體溫度擬合方程

        根據(jù)擬合公式計(jì)算較長(zhǎng)時(shí)間下熱媒對(duì)周?chē)馏w的作用效果,選取t=288 h進(jìn)行計(jì)算,見(jiàn)表4??梢钥闯鼍郯滨ケ夭牧舷碌耐馏w溫度仍然呈現(xiàn)階梯狀分布,說(shuō)明聚氨酯保溫具有一定削弱熱量傳遞的效果;而巖棉保溫層下的土體溫度已經(jīng)基本持平,說(shuō)明巖棉在長(zhǎng)時(shí)間條件下的保溫效果較差。通過(guò)對(duì)比可以認(rèn)為聚氨酯保溫材料更加適用于熱媒給水管道保溫,用于工程現(xiàn)場(chǎng)防止管道凍結(jié)和維持周?chē)嗄陜鐾恋臓顟B(tài)。

        表4 t=288h時(shí)土體溫度擬合

        3 給排水系統(tǒng)數(shù)值仿真模型計(jì)算

        文中通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)保溫材料的保溫性能進(jìn)行對(duì)比分析,為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了參考。為考慮更多種熱媒溫度作用下現(xiàn)場(chǎng)土體溫度和變形的變化情況,需要以現(xiàn)場(chǎng)給排水系統(tǒng)原型為參考進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。

        3.1 模型建立

        (1) 給排水管道幾何模型。結(jié)合該地區(qū)地下給排水管道的結(jié)構(gòu)及布置形式,簡(jiǎn)化得到管道、土體的幾何模型見(jiàn)圖6,管道直徑300mm,管壁厚30mm,保溫材料厚度60mm。以此為原型,按照?qǐng)D中所示土體尺寸及管道間距,利用Comsol數(shù)值模擬軟件建立水熱力耦合三維計(jì)算模型進(jìn)行溫度場(chǎng)、變形場(chǎng)的分析。

        圖6 幾何模型示意圖(單位:mm)

        (2) 模型假定。受限于理論研究現(xiàn)狀和簡(jiǎn)化計(jì)算的需要,模型建立時(shí)采用如下假定:①土體為各向同性的彈性材料;②僅研究水冰相變產(chǎn)生的土體變形,不考慮固結(jié)、蠕變等土體行為;③不考慮熱對(duì)流、水汽相變、太陽(yáng)輻射熱效應(yīng)。

        可以預(yù)見(jiàn)的是,計(jì)算時(shí)忽略日內(nèi)溫差和太陽(yáng)輻射等效應(yīng),只考慮年內(nèi)周期溫度、水分變化對(duì)管道周?chē)馏w的影響,因此,計(jì)算所得溫度場(chǎng)、變形場(chǎng)與實(shí)際情況可能存在一定誤差,但其演變規(guī)律、發(fā)展過(guò)程仍具有實(shí)際參考價(jià)值,用于比選更優(yōu)的管道保溫、防凍措施具有一定的可靠性。

        (3) 溫度邊界。以青藏線(xiàn)地區(qū)實(shí)際監(jiān)測(cè)的1年周期地溫?cái)?shù)據(jù)作為上邊界溫度條件輸入;下邊界根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,一定深度土體的溫度隨季節(jié)變化趨于穩(wěn)定。模型建立時(shí),土體底部采用恒溫作為下邊界條件。結(jié)合現(xiàn)有資料,選用-1.3℃為土體底部邊界的恒定地溫;前后邊界:模型建立時(shí)考慮到邊界影響,沿管道方向長(zhǎng)度取為4m,且前后兩側(cè)地溫認(rèn)為與監(jiān)測(cè)溫度分布一致,按照天然狀態(tài)考慮,即不受路基熱狀態(tài)影響,與外界無(wú)熱流交換,定義為絕熱邊界;左右邊界:模型建立時(shí),左右土體距離管道1m,不影響兩管道之間土體的溫度場(chǎng)分布,故按照絕熱邊界處理。

        (4) 力學(xué)邊界。模型上部為自由邊界,沿管道方向邊界約束水平向位移,沿管道橫向約束縱向位移,底部為固定邊界。

        (5) 計(jì)算參數(shù)與有限元模型的建立。如表5和表6所示土體、保溫材料、混凝土管道等參數(shù)建立有限元計(jì)算模型。

        表5 土體及管道的熱物理參數(shù)

        表6 土體及管道的力學(xué)參數(shù)

        3.2 計(jì)算方案

        工況展開(kāi)模型的計(jì)算如表7所示。

        表7 給排水管道仿真分析工況

        工況1的防凍措施為管道外包保溫材料;工況2~工況4的防凍措施是在工況1的基礎(chǔ)上,利用熱媒控制管道內(nèi)溫度分別為1、3、5℃。

        3.3 計(jì)算方案與結(jié)果分析

        選取模型中心位置,提取工況1不同天數(shù)的土體地溫隨深度變化的計(jì)算結(jié)果,與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比,以驗(yàn)證地溫的傳遞情況和模型的可靠性見(jiàn)圖7。

        圖7 地溫隨深度變化曲線(xiàn)

        選取計(jì)算周期內(nèi)的110d(地表溫度全年最高時(shí)刻)、200d(地表正溫變負(fù)溫時(shí)刻)、270d(地表溫度全年最低時(shí)刻)為特征時(shí)刻提取計(jì)算結(jié)果。分析發(fā)現(xiàn),在深度1~2m之間的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值存在一定差異,主要由于此深度為管道埋設(shè)深度,對(duì)地溫的傳遞產(chǎn)生一定影響,但誤差范圍未超過(guò)0.5℃,因此,計(jì)算結(jié)果可信,模型可靠。

        3.4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

        不同工況的溫度場(chǎng)分布云圖如圖8、圖9所示。

        圖8 不同工況110d(地表溫度最高時(shí)刻)溫度場(chǎng)分布

        圖9 不同工況270d(地表溫度最低時(shí)刻)溫度場(chǎng)分布

        結(jié)合圖8和圖9,發(fā)現(xiàn)工況1僅采用管道保溫措施的情況下,在土體凍結(jié)期內(nèi)管道內(nèi)溫度為負(fù)值,即管道保溫的措施無(wú)法保證管道內(nèi)流體不發(fā)生凍結(jié);工況2~工況4中,在管道保溫基礎(chǔ)上結(jié)合管道內(nèi)流體加熱,使得管道在凍結(jié)期內(nèi)仍能保持正溫,具體溫度變化情況需結(jié)合溫度等值線(xiàn)進(jìn)一步分析。分析可知,圖10中管道熱媒維持溫度為1℃時(shí),凍結(jié)線(xiàn)存在于保溫層內(nèi),可保持管道內(nèi)溫度在1℃左右;隨管道溫度升高見(jiàn)圖11、圖12,0℃凍結(jié)線(xiàn)逐漸過(guò)渡到管道周?chē)馏w,管道內(nèi)流體溫度可維持正溫,不發(fā)生凍結(jié)。不同工況270d(地表溫度最低時(shí)刻)溫度等值線(xiàn)見(jiàn)圖10~圖12。

        圖10 工況2在270d(地表溫度最低時(shí)刻)的溫度等值線(xiàn)和凍結(jié)線(xiàn)

        圖11 工況3在270d(地表溫度最低時(shí)刻)的溫度等值線(xiàn)和凍結(jié)線(xiàn)

        圖12 工況4在270d(地表溫度最低時(shí)刻)的溫度等值線(xiàn)和凍結(jié)線(xiàn)

        由于管道內(nèi)設(shè)置熱媒升溫,導(dǎo)致管道周?chē)馏w的凍結(jié)、融化狀況變化,因此,對(duì)于兼顧防凍效果、保護(hù)多年凍土狀態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益的熱媒溫度的確定,可推薦3℃,既能維持管道內(nèi)正溫,防止管道凍結(jié),也能盡可能減少對(duì)多年凍土的擾動(dòng)。

        3.5 防凍措施分析

        結(jié)合管道-土體溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果,認(rèn)為保溫材料結(jié)合管道熱媒的使用,可有效保障給排水管道內(nèi)流體的流動(dòng)。參考多年凍土地區(qū)給排水管道的工程經(jīng)驗(yàn)[10],還可采取如下措施以防止管道的凍結(jié):

        (1) 盡量加大管道坡度,采用陡坡高速排水的方式解決排水管道出口處易凍結(jié)的問(wèn)題。

        (2) 有經(jīng)驗(yàn)表明,青藏鐵路沿線(xiàn)排水管道利用羊糞回填的保溫效果尚好,由于羊糞的特點(diǎn)是遇水發(fā)酵并發(fā)熱,不會(huì)因?yàn)榻В虼丝勺鳛榱己玫谋夭牧鲜褂谩?/p>

        4 結(jié)語(yǔ)

        (1) 通過(guò)試驗(yàn)短時(shí)間監(jiān)測(cè)和長(zhǎng)時(shí)間擬合土體溫度變化并比發(fā)現(xiàn),聚氨酯保溫材料比巖棉更加適用于熱媒給排水管道保溫,可應(yīng)用于工程現(xiàn)場(chǎng)防止管道凍結(jié)和維持周?chē)嗄陜鐾恋臓顟B(tài)。

        (2) 建立給排水系統(tǒng)仿真模型,并通過(guò)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比,驗(yàn)證了模型的可靠性。

        (3) 僅采用管道保溫措施的情況下,在土體凍結(jié)期內(nèi)管道內(nèi)溫度為負(fù)值;當(dāng)采用熱媒時(shí)管道內(nèi)流體溫度可維持正溫,不發(fā)生凍結(jié)。

        (4) 對(duì)于兼顧防凍效果、保護(hù)多年凍土狀態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益的熱媒溫度的確定,可推薦3℃,該種工況既能維持管道內(nèi)正溫,防止管道凍結(jié),也能盡可能減少對(duì)多年凍土的擾動(dòng)。

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