Тепловые режимы и тепловые потери подземных трубопроводов с учетом реальных условий теплообмена на внешнем контуре взаимодействия

Abstract

Актуальность исследования обусловлена необходимостью разработки новых подходов к анализу тепловых режимов и тепловых потерь подземных трубопроводов и подтверждается основными положениями Энергетической стратегии России на период до 2030 г. Подземные трубопроводы широко используются при транспортировке жидкостей в различных областях, например, таких как водоснабжение и теплоснабжение, нефтепроводы и газопроводы, технологические трубопроводы промышленных предприятий. При проектировании систем такого рода необходимо учитывать теплообмен между грунтом и подземным трубопроводом, что во многих случаях оказывает существенное влияние на экономичность транспортировки энергоносителей. Цель: численный анализ тепловых режимов и тепловых потерь подземных бесканальных трубопроводов с учетом реальных условий теплообмена на внешнем контуре взаимодействия, исследование температурных полей и закономерностей теплопереноса в зонах размещения подземных бесканальных трубопроводов. Объекты: типичные для систем транспортировки энергоносителей подземные двухтрубные бесканальные трубопроводы, проложенные в песчаных и глинистых грунтах. Трубопроводы изолированы пенополиуретаном и защитным покровным гидроизоляционным слоем из полиэтилена. Температуры на внутренней поверхности труб равны среднегодовым температурам энергоносителей в подающих и обратных трубопроводах водяных тепловых сетей при их работе по температурному графику 95/70 °С. Температура окружающей среды равна средней температуре воздуха за отопительный период в городе Томск. Средний коэффициент теплоотдачи на поверхности раздела «грунт - окружающая среда» варьировался в пределах от 5 до 30 Вт/(м2 К). Методы: численное решение задач теплопереноса методом конечных элементов с использованием аппроксимации Галеркина, неравномерной конечно-элементной сетки, количество элементов которой выбирается из условий сходимости решения, сгущение сетки проводится методом Делоне. Результаты. Установлены масштабы тепловых потерь и закономерности теплопереноса в зонах размещения подземных бесканальных трубопроводов с учетом реальных условий теплообмена на внешнем контуре взаимодействия (изменение температуры грунта по глубине). Выявлено, что тепловые режимы подземных бесканальных трубопроводов с учетом и без учета изменения температуры грунта по глубине существенно отличаются друг от друга. Это обстоятельство может оказать заметное влияние в тех случаях, когда в зоне теплового влияния подземных трубопроводов расположены, например, смежные коммуникации или инженерные сооружения. Показана возможность проведения оценки тепловых потерь подземных бесканальных трубопроводов с использованием модели и методики, не учитывающих изменение условий теплообмена на внешнем контуре взаимодействия.

The relevance of the research is caused by the need to develop new approaches to the study of thermal regimes and thermal losses of underground pipelines and it is confirmed by the main provisions of the Energy Strategy of Russia for the period up to 2030. Underground pipelines are widely used for transportation of liquids in various areas, for example, water supply and heat supply, oil pipelines and gas pipelines, technological pipelines of industrial enterprises. When designing an underground piping system, it is necessary to take into account heat exchange between the ground and the underground pipeline. In many cases this impacts significantly the economics of transportation of energy carriers. The main aim of the research is a numerical analysis of thermal conditions and heat losses of underground channel-free pipelines in real heat exchange on the outer interaction boundary and investigation of temperature fields and patterns of heat transfer in the areas of placement of underground non-channel pipelines. Objects of the research are the typical for energy transportation system underground two-pipe ductless pipelines laid in sandy and clay soils. Pipelines are insulated with polyurethane foam and protective covering waterproofing layer made of polyethylene. Temperature of energy carriers is equal to the average annual temperature of the energy carriers in the supply and return pipelines of the water heating networks during their operation according to the temperature schedule 95/70 °С. The ambient temperature is equal to the average air temperature for the heating period in the city of Tomsk. The average heat transfer coefficient at the ground-to-environment interface varied from 5 to 30 W/(m2 K). Methods: numerical solution of heat transfer problems by the finite element method using the Galerkin approximation, non-uniform finite element mesh, the number of elements of mesh is chosen from the conditions of convergence of the solution; the grid is thickened by the Delaunay method. Results. The authors have determined the magnitude of heat losses and the patterns of heat transfer in the zones of placement of underground non-channel pipelines in real heat exchange on the outer interaction boundary (change in soil temperature in depth). It was revealed that thermal conditions of underground non-channel pipelines, taking into account and without taking into account changes in soil temperature with respect to depth, differ significantly from each other. This circumstance can effect considerably in those cases where, for example, adjacent communications or engineering facilities are located in the zone of thermal influence of underground pipelines. The paper demonstrates the possibility of calculating thermal losses of underground non-channel pipelines using a model and methodology that do not take into account the change in heat exchange conditions on the outer interaction boundary.