В статье рассмотрены особенности применения существующих систем термостабилизации грунтов основания при строительстве и эксплуатации объектов магистральных трубопроводов. Проведен сравнительный анализ разных способов оребрения теплообменных труб. Выполнено обоснование эффективности использования игольчатого оребрения.
Ключевые слова: магистральный трубопровод, вечномерзлые грунты, системы термостабилизации грунта, теплообменники, эффективность теплообмена, оребрение.
The article discusses the features of the application of existing systems of thermal stabilization of soil foundations in the construction and operation of trunk pipelines. A comparative analysis of different methods of finning of heat-exchange tubes is carried out. A rationale for the effectiveness of the use of needle finning is made.
Keywords: main pipeline, permafrost, soil thermal stabilization systems, heat exchangers, heat transfer efficiency, fins.
В настоящее время, на территории Российской Федерации, большая часть запаса углеводородов сконцентрирована в районах Крайнего Севера, где общая площадь вечномерзлых грунтов, составляет порядка 65 %. [1]. Весь газо- и нефтедобывающий комплекс этих районов, а также элементы смежной инфраструктуры, опираются на грунты основания, которые при растеплении в процессе эксплуатации сооружений, теряют свою монолитность и смещаются.
До сегодняшнего дня, одним из самых распространенных способов термостабилизации грунтов, был монтаж проветриваемых подполий на сваях, с расчетом возможной осадки. Однако, этот метод термостабилизации грунта и возведения фундамента, не только трудо- и материалоемок, но и увеличивает сметную стоимость фундамента на 50 % от общей доли всего объекта. Ко всему прочему, исключает возможность качественного ремонта и управляемости процессом при обнаружении непредвиденных тепловых воздействий на грунты основания.
Системы термостабилизации грунта (ТСГ)
Зарубежные и отечественные исследования в области термостабилизации грунтов показали, что традиционные методы строительства объектов нефтегазового комплекса в криолитозоне — не эффективны и экономически нецелесообразны.
Одним из способов решения данной проблематики, является применение самостоятельных управляемых термостабилизующих устройств, принцип действия которых, основан на силе тяжести и разнице температур воздуха и грунтов основания, без подключения к линии электропередач.
Для сохранения грунта в мерзлом состоянии, рядом с опорным фундаментом бурятся специальные скважины до глубины залегания вечномерзлых грунтов, в которые помещаются трубчатые жидкостные или парожидкостные термостабилизаторы. На рис. 1 представлена схема работы термостабилизатора.
Рис.1. Схема работы термостабилизатора
В летний период времени, процесс термостабилизации грунта приостанавливается, в силу того, что температура верхней части устройства (конденсатора) становится выше температуры теплоносителя, тем самым прекращая циркуляцию, и наблюдается процесс частичного оттаивания верхнего слоя грунта. С наступлением зимнего периода, охлаждение грунтов основания, обеспечивается за счет конвекционной циркуляции хладагента в жидкостных термостабилизаторах или легкокипящего хладона в парожидкостных.
Рис. 2. Конструктивная схема парожидкостного термостабилизатора
На рис. 2 представлена конструктивная схема парожидкостного термостабилизатора, изготовленного из герметично сваренных металлических труб разного диаметра и состоящего из трех участков:
– Конденсатор — участок термостабилизатора, расположенный на открытом воздухе, выполненный из одной или нескольких труб с оребренной поверхностью для повышения эффективности теплообмена;
– Транзитный участок — изолированная часть термостабилизатора для минимизации тепловых потерь в слое грунта с учетом разделения потоков жидкой и парообразной фазы хладона;
– Испаритель — участок термостабилизатора, погруженный в грунт основания, в котором происходит процесс теплообмена между жидкой фазой хладона и грунтом основания через стенки испарителя, где хладон переходит в парообразную фазу и поднимается в конденсатор, а дальше выбрасывается в атмосферу. [2].
Для обеспечения функционирования термостабилизатора в течении всего года, даже при условии длительных периодов положительных температур атмосферного воздуха, в состав транзитного участка включают дополнительные теплоотводящие элементы, в которых происходит процесс охлаждения грунта основания, за счет циркуляции промежуточного хладагента, охлаждаемого холодильной машиной.
Современная практика в области применения термостабилизаторов грунтов основания, позволяет выделить следующие виды классификации, представленные на рис. 3.
Рис. 3. Блок-схема классификации термостабилизаторов
Например, системы ТСГ «ВЕТ» выпускаемые тюменской компанией [3], имеют суммарную длину испарителя и конденсатора порядка 7…14 м при диаметре корпуса 25…60 мм, с радиусом зоны замерзания грунта основания около 1,5 м при среднезимней температуре — 15 ºС.
Сравнительный анализ способов оребрения труб конденсатора
У всех термостабилизаторов, как у кожухотрубчатых и секционных теплообменных аппаратов, основным элементом является труба. Таким образом, чем больше площадь теплообменной поверхности, тем большее количество теплоты отдается в единицу времени. Именно для этого оребряется поверхность трубы термостабилизатора грунта. Для сравнения, оребренная площадь поверхности в 12 раз больше, чем гладкая труба той же длины и диаметра.
В настоящее время, существует целый ряд способов нанесения оребрения на поверхность трубы для самых различных целей и видов производств. Но в этой статье, авторы рассматривают только спиральное и игольчатое (штыревое) оребрение труб, применяемых для изготовления конденсаторов систем ТСГ.
Наиболее распространенным видом при изготовлении конденсаторов ТСГ — является спиральное оребрение трубы, путем навивки ленты на несущую трубу. Существует два вида навивки:
– оребрение труб методом навивки — получается путем навивки алюминиевой ленты на несущую стальную бесшовную трубу с различными типами оребрения (рис. 4.):
- L–образная форма ребра, которая фиксируется на трубе за счет прижимной силы (улучшенная теплопередача);
- LL-образная форма ребра с частичным перекрытием одного основания ребра другим;
- KL-образная форма ребра с наличием насечек на основании ребра (аналогична L-типу);
- G — оребрение, при котором лента заходит в канавки на трубе и труба обжимает полученное ребро.
Рис. 4. Типы навивки ребер
– оребрение труб методом ТВЧ — осуществляется путем прикорневой приварки стальной ленты непрерывным швом к трубе высокочастотной сваркой.
Менее распространенным видом оребрения труб конденсаторов ТСГ — является применение игольчатых (штыревых) матриц. Несмотря на это, они позволяют создать поверхность теплообмена с максимально сосредоточенным расположением теплоотводящих элементов на небольшой площади.
Как известно, для пластинчатых ребер (спиральное оребрение) коэффициент теплообмена напрямую зависит от скорости газового потока (естественная конвекция) и геометрии взаимного расположения пластин. Таким образом, если уменьшить ширину пластины при данной толщине, то возрастет перепад температур по ширине ребра, что практически полностью погасит увеличение коэффициента теплообмена. Для увеличения теплоотдачи, необходимо чтобы пластина имела большее теплопроводящее сечение по отношению к своему периметру. Ребром подобного типа является игла, а такие системы называют — игольчатыми или штыревыми. [4].
Для приварки игольчатого оребрения к трубам используется современное сварочное оборудование, которое выполняет процесс в автоматическом режиме, где шаг и угол игл настраивается в соответствии с требованиями заказчика.
Обоснование эффективности использования игольчатого оребрения
Ряд исследований показал, что игольчатые системы с расположением теплоотводящих элементов в шахматном порядке, являются наиболее эффективными в силу того, что характер воздушного потока становится турбулентным и значительно возрастает коэффициент теплоотдачи, в сравнении с коридорным расположением игл, где характер воздушного потока — ламинарный. Стоит отметить, что коэффициент теплоотдачи при этом, во многом зависит и от окружности цилиндра образующего иглу.
Тем не менее, в условиях естественной конвекции, при незначительном перепаде температур между теплообменной поверхностью конденсатора и окружающим воздухом, невозможно обеспечить скорость воздушного потока в пределах 0,04–0,05 м/сек (Re=9) для заметного увеличения коэффициента теплоотдачи. Поэтому более эффективную игольчатую систему оребрения для конденсатора ТСГ стоит рассматривать при условии принудительного обдува, при котором значения коэффициента теплоотдачи могут достигнуть 100–200 ккал/м 2 ∙час∙ºС.
В общих чертах, работа игольчатой системы, обдуваемой воздухом, для одиночной иглы круглого сечения, будет характеризоваться следующим образом:
– Re=0,25 — спокойное обтекание иглы потоком;
– Re=2 — возмущение потока в кормовой части иглы;
– Re=9 — полное развитие возмущения воздушного потока.
Для увеличения интенсивности теплоотдачи по окружности иглы, необходимо выбирать не только скорость воздушного потока, но и соответствующее направление.
Оптимальные параметры игольчатой системы оребрения конденсатора ТСГ с расположением теплоотводящих элементов в шахматном порядке, будут при условии [5]:
где S 1 — продольный шаг системы игл; S 2 — поперечный шаг системы игл; d — диаметр иглы.
Такие условия относятся к скоростям воздушного потока, при котором Re≥300.
Подводя итог, можно сделать вывод, что системы термостабилизации грунтов основания, служат современными и инновационными способами сохранения грунта в мерзлом состоянии для поддержания монолитности фундамента при сооружении объектов магистральных трубопроводов и смежной инфраструктуры. При этом их выбор обусловлен эффективностью теплообмена, зависящего от типа оребрения поверхности конденсатора, реальных условий применения и экономической целесообразности.
Литература:
- Крайний Север [Электронный ресурс] // Материал из Википедии — свободной энциклопедии. — Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Крайний_Север.
- Актуальность применения термостабилизаторов грунта в криолитозоне [Электронный ресурс] // ООО «НПО «Север». — Режим доступа: http://www.nponorth.ru/aktualnost-primeneniya-termostabilizatorov-grunta.
- Долгих, Г. М. Практический опыт строительства оснований зданий и сооружений в условиях ВМГ / Г. М. Долгих, С. Н. Окунев, Ю. Э. Кинцлер. — Тюмень: ООО НПО «Фундаментстройаркос», 2002.
- Игольчатые радиаторные системы [Электронный ресурс] // Научная библиотека избранных естественно-научных изданий. — Режим доступа: http://scask.ru/j_book_trm.php?id=27.
- Ройзен, Л. И. Тепловой расчет оребренных поверхностей / Л. И. Ройзен, И. Н. Дулькин; ред. В. Г. Фастовского. — Москва: «Энергия», 1977. — 254 с.
