Технические науки / 4. Транспорт

К.т.н., Айтбаев К.

АО «Казахстанский дорожный научно-исследовательский
институт», Республика Казахстан

Экспериментальное исследование суточных изменении температурного поля вокруг подземного теплопровода

При математическом моделировании процесса формирования температурного поля вокруг подземного теплопровода, который часто прокладывается под городскими дорогами, возникает вопрос о правомерности замены нестационарного процесса на стационарный процесс. Поскольку температура наружного воздуха в течение суток меняется с известной периодичностью, то следует ожидать того же в исследуемом температурном поле. Здесь следует обратить внимание на скорость реагирования температурного поля в грунте вокруг подземного теплопровода на изменения температуры наружного воздуха, на глубину проникновения изменений температуры наружного воздуха и на величину изменений в температурном поле в грунте в ответ на изменения температуры наружного воздуха.

На эти и другие вопросы ответ нужно искать в результатах натурного эксперимента, проведенного в 2001-2003 г.г. в условиях города Алматы [1]. Для натурного экспериментального изучения температурного режима городских дорожных одежд был выбран участок дороги с подземным теплопроводом, заложенным под проезжей частью. Такой выбор должен был обеспечить наибольшую температурную нагрузку на всю дорожную конструкцию, включая и грунтовое основание дороги, так как температурное поле в этом случае формировалось бы под действием не только под влиянием температуры наружного воздуха, но и под действием температуры подземного теплопровода, заключенного в железобетонные коллекторы.

Для оценки температурного режима грунтовых оснований и конструктивных слоев дорожных одежд на экспериментальном участке был выбран метод измерения температур при помощи термоэлектрических датчиков сопротивлений. Термоэлектрические датчики были установлены по поперечному сечению экспериментального участка по специально разработанной схеме (рисунок 1).

Замеры температур производились с октября месяца 2001 года по февраль месяц 2003 года с различной частотой и периодичностью. Основные замеры охватывали зимний отопительный сезон, с тем, чтобы выявить влияние подземного теплопровода на формирование температурного поля в дорожной конструкции в целом.

Суточные замеры температур проводились через каждые 4 часа и длились с 8 часов утра до 8 часов утра следующих суток включительно. В каждом месяце такие суточные замеры производились по нескольку раз. За период времени с октября месяца 2001 года по февраль месяц 2003 года на экспериментальном участке произведено всего 71 замеров температур в термоэлектрических датчиках. Из них наиболее полными являются данные, соответствующие разовым замерам, произведенным 13.10.2001 г., 10.03.2002 г. и 21.03.2002 г., где функционировали практически все датчики.

Рисунок 1. Схема расположения конструктивных элементов дорожной одежды на экспериментальном участке по завершении ремонта. Условные обозначения: I - двухслойный асфальтобетон; II - щебень из твердых пород; III - слой из гравийно-песчаной смеси; IV - суглинок легкий; h₁=0,34 м - толщина слоя асфальтобетона до ремонта, h₂=0,20 м - толщина слоя щебня из твердых пород; h₃=0,70 м - толщина слоя из гравийно-песчаной смеси; h₄=1,16 м - слой грунта естественного залегания, состоящего из легкого суглинка; h₅=0,20 м - толщина двухслойного асфальтобетона, проложенного по завершении ремонта теплотрассы; h₆=0,30 м – толщина слоя щебня; №1-№20 – номера термоэлектрических датчиков.

Для исследования закономерностей формирования температурного поля по глубине, вертикальные ряды датчиков были расположены таким образом, чтобы полнее охватить зону влияния теплопроводов. Итак, первый вертикальный ряд датчиков №2, №3, №4, №5, №6 начинается с основания асфальтобетонного слоя, проходит на расстоянии 80 см от левого борта коллектора и заканчивается на глубине 2,2 метра, что ниже уровня железобетонных коллекторов (рисунок 1). Следующие два ряда датчиков, а именно, второй (датчики №14 и №15) и третьи (датчики №8 и №9) вертикальные ряды, расположены вдоль вертикальных осей бетонных коллекторов и, должны были выявлять особенности формирования температурного поля вблизи зоны влияния трубы подачи тепла и трубы обратной подачи.

На рисунке 2 приводятся графики сравнения показателей всех трех вертикальных рядов датчиков, снятых 13.10.01 г. при температуре наружного воздуха Т_в=+17 ⁰С. График, соответствующий первому вертикальному ряду,

Рисунок 2. Показания вертикальных рядов датчиков 13.10.01 г.

при температуре наружного воздуха T_v = +18 ⁰С

Рисунок 3. Сравнение данных по 1-му вертикальному ряду

датчиков №2-№6 в различные периоды года

т.е. показаниям датчиков №2, №3, №4, №5 и №6 показывает, что в окрестности подземного теплопровода, вплоть до конца летнего периода сохраняется высокая температура, заметно превышающая температуру наружного воздуха к моменту проведения замеров.

Близость кривых, соответствующих данным во втором и третьем вертикальных рядах, показывает, что, до начала отопительного сезона значения температуры воды в трубах прямой и обратной подачи близки между собой.

Заметим, что, температура во 2-ом и 3-м вертикальных рядах датчиков заметно выше, чем в 1-ом ряде, т.к. они расположены ближе к трубам теплопровода, по которым в летнее время подается горячая вода для бытовых нужд.

Особого внимания требуют данные, приведенные на рисунке 3. Например, данные от 13.10.01 г., снятые до начала отопительного сезона, значительно выше, чем данные от 10.03.02 г., соответствующие концу зимы. Такое резкое отличие в характере формирования температурного поля вокруг подземного теплопровода объясняется следующим образом.

В летнее время, в точках, расположенных близко к теплопроводу, накапливается тепло, которое не расходуется, т.к. температура наружного воздуха все время остается высокой. А к концу отопительного сезона, грунт вокруг теплопровода успевает охладиться, и, положительная температура в нем поддерживается лишь температурой теплопровода, т.е. зависит от температуры наружного воздуха.

С целью выявления характера реакции температурного поля в исследуемой области на изменения температуры наружного воздуха были проведены серии суточных замеров.

Суточные замеры показателей термоэлектрических датчиков проводились с 8⁰⁰ часов утра до 8⁰⁰ часов следующих суток, включительно, с интервалом в 4 часа.

На рисунке 4 приведены графики изменения температуры в датчиках №15 и №19 в сравнении с графиком изменения температуры наружного воздуха. С указанных термоэлектрических датчиков, расположенных над водоводами прямой и обратной подачи, данные сняты 14.09.02 г. - 15.09.02 г.

На графике, соответствующем показаниям датчика №15, расположенном над трубой прямой подачи, наблюдается запаздывание температурной реакции в водоводе на изменение температуры наружного воздуха. На пик температуры наружного воздуха ответное понижение температуры в трубопроводе наступает через 2-3 часа. Такое поведение теплопровода, видимо, объясняется удаленностью экспериментального участка от центра подачи тепла, т.е. от котла. И конечно, нельзя забывать о времени релаксации температуры.

На графике, соответствующем показаниям датчика №19, расположенным над трубой обратной подачи, участку роста температуры воздуха приходится участок падения температуры в водоводе. Здесь уже роль играет удаленность потребителей тепла от экспериментального участка.

Рисунок 4. Суточные замеры. Данные датчиков №15 и №19 и температура

воздуха. Замеры от 14.09.02 г

Из анализа результатов натурного эксперимента следует:

- температурное поле вокруг подземного теплопровода в основном определяется температурой наружного воздуха, т.к. от нее зависит температура в трубах прямой и обратной подачи воды в теплопроводе [2];

- вокруг подземного теплопровода образовывается зона, температура в которой не опускается ниже нулевой отметки в течение всего года. Причем верхняя граница этой зоны вплотную подходит к нижней кромке асфальтобетонного дорожного покрытия.

Литература

1. Айталиев Ш.М., Телтаев Б.Б., Айтбаев К., Турсумбекова Х.С. О комплексном исследовании температурного режима городских дорожных конструкций над подземным теплопроводом. Новосибирск, Известия вузов. Строительство. -2003. №12. С. 66-70.

2. Турсумбекова Х.С. Исследование температурного режима городской дорожной конструкции с подземным теплопроводом. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Алматы: 2003. -141 с.