Введение

В данной инструкции приведена общая информация о термостабилизаторах многолетнемерзлых грунтов, способах их задания и моделирования в программе Frost.Термо. Также в главе 3 приведены параметры термостабилизаторов, которые были предоставлены производителем ООО НПО «Фундаментстройаркос» (далее – ФСА). Данные параметры верифицированы на практических данных и используются в производственной деятельности ФСА при проектировании систем термостабилизации грунтов и составлении прогнозных расчетов теплового состояния ММГ во Frost.Термо.

Типы сезоннодействующих охлаждающих устройств

Сезоннодействующие охлаждающие устройства (СОУ) предназначены для поддержания грунта в мерзлом состоянии, что обеспечивает устойчивость зданий, сооружений на сваях, а также сохраняет замерзший грунт вокруг опор ЛЭП и трубопроводов, вдоль насыпей железнодорожных путей и автомобильных магистралей. В основе технологии СОУ лежит устройство передачи тепла (термосифон), которое в зимний период извлекает тепло из почвы и передает его в окружающую среду. Важной особенностью этой технологии является то, что она естественнодействующая, т.е. не нуждается во внешних источниках энергии.

Принцип работы всех видов СОУ (Рис. 1.1) одинаков. Каждое из них состоит из герметичной трубы, в которой находится теплоноситель – хладагент: углекислота, аммиак и др. Труба состоит из двух секций. Одна секция размещается в земле и называется испарителем. Вторая, радиаторная секция трубы, расположена на поверхности. Когда температура окружающей среды опускается ниже температуры земли, где залегает испаритель, пары хладагента начинают конденсироваться в радиаторной секции. В результате снижается давление и хладагент в испарительной части начинает вскипать и испаряться. Этот процесс сопровождается переносом тепла из испарительной части в радиаторную.

Рис. 1.1 – Теплопередача с использованием термосифона [1]

В настоящее время существует несколько типов конструкций устройств, термостабилизирующих грунт (Рис. 1.2), примерный список которых представлен ниже:

Сезонноохлаждающее устройство. Представляет собой вертикальную трубу термосифона, вокруг которой замораживается грунт.
Термосвая. Представляет собой вертикальную сваю с интегрированным термосифоном. Термосвая может нести некоторую нагрузку, например, опору нефтепровода.
Глубинное сезоннодействующее охлаждающее устройство. Представляет собой длинную (до 100 метров) трубу термосифона с увеличенным диаметром. Такие охлаждающие устройства применяются для температурной стабилизации грунтов на большой глубине, например, для термостабилизации дамб и плотин.
Наклонное сезоннодействующее охлаждающее устройство. Этот тип СОУ отличается от термостабилизатора тем, что установка испарительной трубы выполняется под уклоном. В этом случае существует возможность установки наклонной испарительной трубы непосредственно под зданиями, возведенными на бетонных плитах.
Горизонтальное охлаждающее устройство. Особенностью горизонтального СОУ является то, что оно устанавливается полностью горизонтально на уровне подготовленного насыпного основания. В этом случае здание возводится непосредственно на непросадочном грунте, расположенном на слое изоляции и испарительных трубах. Преимуществом горизонтальных СОУ является возможность их использования в двух конфигурациях: на плитных и свайных фундаментах.
Система вертикальных охлаждающих устройств. Этот тип СОУ похож на горизонтальное охлаждающее устройство, но в отличие от него, помимо горизонтальных испарительных труб, может содержать до нескольких десятков вертикальных испарительных труб. Преимуществом этой системы является более эффективное поддержание грунта в мерзлом состоянии. Недостатком вертикальных систем охлаждающих устройств является затруднительность их ремонта и обслуживания.


1) Термостабилизатор	2) Термосвая	3) Глубинное сезоннодействующее охлаждающее устройство

4) Наклонное сезоннодействующее охлаждающее устройство	5) Горизонтальное охлаждающее устройство	6) Система вертикальных охлаждающих устройств

Рис. 1.2 – Схематичное представление различных типов термостабилизаторов

Задание термостабилизатора во Frost.Термо

Параметры термостабилизатора в Базе данных

Для моделирования работы термостабилизатора необходимо создать соответствующее граничное условие (ГУ), которое впоследствии необходимо применить на построенную геометрию термостабилизатора, а именно – на испарительную часть. Это можно сделать в Базе данных во вкладке «ГУ на СОУ». При нажатии на кнопку «Добавить» создается новое граничное условие с именем по умолчанию «ГУ 1 на СОУ» (Рис. 2.1).

Рис. 2.1 – Создание нового граничного условия для СОУ со значениями по умолчанию: 1 – Кнопка «Добавить»; 2 – Имя созданного граничного условия

Температура

В поле «Температура» необходимо ввести данные по температуре окружающей среды у поверхности конденсатора СОУ (Рис. 2.2).

Рис. 2.2 – Температура окружающей среды у поверхности конденсатора с включенной периодичностью

Разность температур

В поле «Разность температур» задается температура, которая характеризует разность между температурой воздуха около конденсатора и средней температурой хладагента в испарительной части СОУ. Согласно СТО Газпром 2-2.1-390-2009 данная разность должна приниматься 0,8 ℃ или более.

Коэффициент теплообмена

Коэффициент теплообмена (Рис. 2.3) определяет конвективный теплообмен оребренной трубы термостабилизатора с воздухом в зависимости от времени. Данный коэффициент можно вычислить в Калькуляторе условий теплообмена программного комплекса Frost 3D (см. главу 4).

Рис. 2.3 – Коэффициент теплообмена для оребрения конденсатора с включенной периодичностью

Тепловой поток

Поле «Тепловой поток», как правило, используется для тех охлаждающих устройств, мощность которых известна и не зависит от температуры воздуха. Примером таких устройств могут служить холодильные установки, работа которых не зависит от погодных условий. Для таких установок производитель предоставляет данные о холодопроизводительности, которую в программе следует задавать через значение отрицательного теплового потока. Для СОУ данный параметр во Frost.Термо, как правило, задают равным нулю.

Тепловое сопротивление термостабилизатора

Тепловое сопротивление термостабилизатора (тепловое сопротивление между конденсатором и испарителем) – поправочное слагаемое \(R\), отвечающее за реальные потери полезной мощности в транспортной части термостабилизатора и компенсирующее использование в качестве температуры конденсатора суммы температуры грунта и температурной депрессии, вводимой в поле «Разность температур». Необходимо подобрать \(R\) таким образом, чтобы модельный термостабилизатор имел холодопроизводительность не выше фактической.

В общем случае значение теплового сопротивления термостабилизатора определяется из экспериментальных значений температуры на испарителе и конденсаторе при определенном значении тепловой нагрузки на СОУ в виде (2.1):

\(R_{к - и} = \frac{S_{к}}{S_{и}}\frac{(T_{и.ср.} - T_{к.ср.})}{q}\) ,(2.1)

где \(R_{к - и}\) – тепловое сопротивление термостабилизатора; \(T_{и.ср.}\) – среднее значение измеренной температуры на испарителе термостабилизатора; \(T_{к.ср.}\) – среднее значение измеренной температуры на конденсаторе термостабилизатора; \(q\) – тепловая нагрузка (тепловой поток с испарителя термостабилизатора); \(S_{к}\) – площадь конденсатора термостабилизатора; \(S_{и}\) – площадь испарителя термостабилизатора.

Автоматическое отключение СОУ

Флаг «Автоматическое отключение СОУ» обеспечивает прекращение работы СОУ при следующем условии: если значение температуры на поверхности оребрения конденсаторной части превышает среднее значение температуры на поверхности испарительной части с учетом разности температур (заданной пользователем), то произойдет отключение охлаждающего устройства.

Конструктивные параметры СОУ

В поле «Конструктивные параметры СОУ» необходимо задать радиус трубы испарителя, площадь испарительной части и площадь оребрения конденсатора (или их соотношение), которая контактирует с окружающей средой.

В итоге во Frost.Термо тепловой поток (сток) рассчитывается по формуле (2.2):

\(q_{СОУ} = \frac{T - T_{в}(t) - \mathrm{\Delta}T}{\frac{S_{и}}{S_{к}}\frac{1}{\alpha_{конв}(v)} + \frac{S_{и}}{S_{к}}R_{к - и}}\) ,(2.2)

где \(T_{в}\) – температура воздуха; \(\mathrm{\Delta}T\) – температурная депрессия; \(\alpha_{конв}\) – коэффициент теплообмена конденсатора с воздухом.

Создание модели термостабилизатора в трехмерном виде

Инструменты Редактора 2D

Построение любого вида СОУ осуществляется с помощью инструментов группирующей кнопки «Режим построения СОУ» (Табл. 2.1, Рис. 2.4) в Редакторе 2D. С помощью данных инструментов осуществляется построение испарительной части термостабилизатора, не включающей в себя транспортную часть и конденсаторный блок. Режим работы термостабилизатора и его конструктивные параметры учитываются через ГУ на СОУ (см. главу 2.1), которое необходимо создать в Базе данных и применить на испарительную часть термостабилизатора (см. главу 2.3).

Табл. 2.1 – Инструменты группирующей кнопки «Режим построения СОУ»
Режим построения СОУ		Описание
	Построить элемент геометрии	Вход в режим построения элементов геометрии в новом слое охлаждающего устройства.
	Добавить точку в линию	Вход в режим добавления точки в контур линии охлаждающего устройства.
	Импорт СОУ	Выполняется импорт элемента геометрии в формате DXF в текущий слой охлаждающего устройства.
	Добавить слой	Добавление нового слоя охлаждающего устройства. Слои необходимы для группировки различных испарительных частей термостабилизатора в один объект. Все испарительные части, которые подсоединены к одному конденсаторному блоку, необходимо объединить в один слой (объект).
	Вставить СОУ из буфера обмена	Выполняется импорт данных СОУ из буфера обмена (Excel-формат).

Построение термостабилизатора

Чтобы построить испарительную часть термостабилизатора, необходимо нажать правой кнопкой мыши (далее – ПКМ) на группирующую кнопку «Режим построения СОУ» (Рис. 2.4) и выбрать инструмент «Построить элемент геометрии». Далее необходимо последовательно устанавливать опорные точки, нажимая левую кнопку мыши (далее – ЛКМ) на рабочей сцене. После установки последней точки следует нажать клавишу клавиатуры Esc для завершения построения геометрии. Пример построенной испарительной части термостабилизатора во вкладке «Редактор 2D» приведен на Рис. 2.5 (слева). Также посредством двойного нажатия ЛКМ можно построить вертикальное СОУ (Рис. 2.5 (справа)).

Рис. 2.4 – Расположение инструмента «Построить элемент геометрии»

Рис. 2.5 – Примеры построения испарительной части СОУ на рабочей сцене Редактора 2D

Редактирование точек контура произвольного термостабилизатора

По умолчанию произвольное СОУ и все его опорные точки по оси Z располагаются на отметке 0 м. Есть несколько способов изменения положения термостабилизатора по оси Z во вкладке «Редактор 2D»:

Находясь в режиме редактирования элементов геометрий объектов, следует изменить значение в поле «Абсолютная координата» на панели «Положение и принадлежность» области свойств (Рис. 2.6). Данным способом можно изменить положение по оси Z для всех опорных точек термостабилизатора одновременно, а с помощью кнопки «Редактировать точки» – вызвать окно для изменения положения каждой точки термостабилизатора в отдельности по всем осям (Рис. 2.8).

Рис. 2.6 – Вид вкладки «Положение и принадлежность» области свойств для произвольного СОУ

Находясь в режиме редактирования элементов геометрий объектов, следует выделить необходимый термостабилизатор, нажать по рабочей сцене ПКМ и выбрать в контекстном меню «Редактировать точки» (Рис. 2.7).

Рис. 2.7 – Вызов инструмента «Редактировать точки» из контекстного меню

В появившемся окне «Редактор точек» (Рис. 2.8) можно изменить положение опорной точки как по оси Z с помощью поля «Абсолютная координата», так и по осям X и Y.

Рис. 2.8 – Вид окна «Редактор точек»

Находясь в режиме редактирования точек элементов геометрий, необходимо выбрать точку, для которой планируется изменение координаты. После на панели «Положение и принадлежность» области свойств (Рис. 2.9) будет доступно изменение поля «Абсолютная координата» (координата по оси Z), а также положения по осям X и Y.

Рис. 2.9 – Изменение положения выделенной опорной точки произвольного термостабилизатора в режиме редактирования точек элементов геометрий

Если две и более точек имеют одинаковые координаты X и Y, то в режиме редактирования объектов и элементов геометрий объектов они будут отображаться в виде полого круга.

Задание параметров вертикального термостабилизатора

Для вертикального термостабилизатора на панели «Положение и принадлежность» (Рис. 2.10) можно задать следующие параметры:

Координаты X, Y.
Абсолютная координата – координата точки соприкосновения конденсаторной и транспортной (теплоизоляции) частей термостабилизатора.
Длина подземной части – общая длина испарительной части с теплоизолированной транспортной частью.
Длина теплоизоляции.

Рис. 2.10 – Вид вкладки «Положение и принадлежность» области свойств для вертикального СОУ

Исходя из задаваемых данных, длина испарительной части, равно как и отметки верха и низа испарителя, будут рассчитаны автоматически. При переходе на вкладку «Редактор 3D» перенесется только испарительная часть СОУ, она же и будет моделироваться.

Задание параметров наклонного термостабилизатора

В случае, если требуется смоделировать СОУ, испарительная часть которого находится под некоторым наклоном, можно воспользоваться возможностью создания наклонных СОУ. В этом случае на вкладке «Положение и принадлежность» (Рис. 2.11) доступно задание следующих дополнительных параметров:

Координаты положения конденсатора.
Координаты X и Y точки, определяющей направление загиба СОУ.
Угол наклона испарителя к поверхности земли.

Рис. 2.11 – Вид вкладки «Положение и принадлежность» области свойств для наклонного СОУ

Задание граничных условий на термостабилизатор

Задание граничных условий на термостабилизатор можно осуществлять на разных этапах подготовки модели к расчету:

во вкладке «Редактор 2D»;
во вкладке «Редактор 3D»;
во вкладке «Расчетная сетка».

Для удобства работы по возможности рекомендуется задавать ГУ на СОУ на начальном этапе подготовки модели, т.е. во вкладке «Редактор 2D».

Редактор 2D

Чтобы задать граничное условие на термостабилизатор (ГУ на СОУ) во вкладке «Редактор 2D», необходимо перейти в режим редактирования объектов. Это можно сделать через боковую панель управления, над областью списка или через контекстное меню, которое можно вызвать с помощью нажатия ПКМ по рабочей сцене (Рис. 2.12).

Рис. 2.12 – Переход в режим редактирования объектов во вкладке «Редактор 2D»: через боковую панель управления (сверху слева); над областью списка (сверху справа); через контекстное меню (снизу)

Далее следует выделить необходимый термостабилизатор (СОУ) и в области свойств на панели «Положение и принадлежность» в выпадающем списке напротив поля «ГУ на СОУ» выбрать граничное условие, созданное ранее (Рис. 2.13).

Для каждого термостабилизатора, системы ГЕТ или ВЕТ необходимо задавать отдельное ГУ на СОУ. Например, если необходимо смоделировать поле независимых сезоннодействующих охлаждающих устройств с одинаковыми техническими характеристиками, то все равно для каждого СОУ необходимо создать свое ГУ на СОУ в окне «База данных». И наоборот, для всех элементов системы ВЕТ или ГЕТ необходимо задать лишь одно ГУ на СОУ, т.к. вся система подключена к одному конденсаторному блоку.

Для того, что не создавать множество одинаковых ГУ на СОУ для независимых термостабилизаторов, можно воспользоваться опцией «Клонировать материалы», доступную из контекстного меню на вкладке Редактор 2D для выбранных в режиме редактирования объектов СОУ с изначально заданным ГУ на СОУ.

Для каждого ГУ на СОУ после расчета во вкладке «Постпроцессор» в режиме редактирования графиков создается график зависимости холодопроизводительности от времени.

Рис. 2.13 – Задание ГУ на СОУ во вкладке «Редактор 2D»: 1 – Наименование выделенного СОУ;

2 – Выпадающий список со всеми имеющимися ГУ на СОУ

Редактор 3D

Чтобы задать или изменить граничное условие на термостабилизатор во вкладке «Редактор 3D», необходимо перейти в режим редактирования объектов, как показано на Рис. 2.14.

Рис. 2.14 – Переход в режим редактирования объектов во вкладке «Редактор 3D»: через боковую панель управления (слева); над областью списка (по центру); через контекстное меню (справа)

Далее следует выделить необходимый термостабилизатор (СОУ) и в области свойств на панели «Свойства» в выпадающем списке напротив поля «ГУ на СОУ» выбрать граничное условие, созданное ранее в Базе данных (Рис. 2.15).

Рис. 2.15 – Задание ГУ на СОУ во вкладке «Редактор 3D»: 1 – Выделенное СОУ; 2 – Наименование выделенного СОУ; 3 – Выпадающий список со всеми имеющимися ГУ на СОУ

Расчетная сетка

Чтобы задать или изменить ГУ на СОУ для термостабилизатора во вкладке «Расчетная сетка», необходимо перейти в режим редактирования СОУ. Далее следует выделить необходимый термостабилизатор (СОУ) и в области свойств на панели «Свойства» в выпадающем списке напротив поля «ГУ на СОУ» выбрать граничное условие, созданное ранее в Базе данных (Рис. 2.16).

Рис. 2.16 – Задание ГУ на СОУ во вкладке «Расчетная сетка»: 1 – Наименование выделенного СОУ; 2 – Выпадающий список со всеми имеющимися ГУ на СОУ

Сезоннодействующие охлаждающие устройства ООО НПО «Фундаментстройаркос»

В данной главе приведены параметры СОУ, которые были предоставлены производителем ФСА, а также указаны некоторые рекомендации по их подбору для моделирования в программе Frost.Термо.

При подборе нетиповых проектных решений по термостабилизации грунта либо возникновении вопросов по моделированию СОУ производства ФСА во Frost.Термо рекомендуется обратиться напрямую к производителю.

Индивидуальные термостабилизаторы грунта (ТК)

Техническая информация

В Табл. 3.1 приведены некоторые типовые конструктивные параметры индивидуальных термостабилизаторов грунта (ТК) производства ФСА [1].

Табл. 3.1 – Конструктивные параметры одиночных термостабилизаторов
Наименование	Общая длина ТК L, мм	Подземный изолированный участок L2, мм
ТК32/6.М5-03	6000	2000
ТК32/7.М5-03	7000
ТК32/8.М5-03	8000
ТК32/9.М5-03	9000	3000
ТК32/10.М5-03	10000
ТК32/11.М5-03	11000
ТК32/12.М5-03	12000
ТК32/13.М5-03	13000
ТК32/14.М5-03	14000
ТК32/15.М5-03	15000
ТК32/16.М5-03	16000
ТК32/17.М5-03	17000
ТК32/18.М5-03-СР	18000
ТК32/19.М5-03-СР	19000
ТК32/20.М5-03-СР	20000
ТК32/21.М5-03-СР	21000
ТК32/22.М5-03-СР	22000
ТК32/23.М5-03-СР	23000
ТК32/24.М5-03-СР	24000
ТК32/25.М5-03-СР	25000
ТК32/26.М5-03-СР	26000

Длина надземной части L1 для всех приведенных в Табл. 3.1 СОУ составляет 2 метра. Длина надземной части и длина подземного теплоизолированного участка являются переменными значениями и могут быть изменены в зависимости от условий на проектируемой площадке.

Особенности задания параметров ТК в базе данных Frost.Термо

При выполнении прогнозных расчетов в программе Frost.Термо следует принять температурные потери в ТК при задании в Базе данных ГУ на СОУ:

при длине ТК до 11 метров – 2 ℃;
при длине ТК от 12 до 16 метров – 3 ℃;
при длине ТК более 16 метров – 5 ℃.

Основные параметры ТК производства ФСА при задании ГУ на СОУ в общей базе данных Frost.Термо представлены в Табл. 3.2. Радиус трубы испарительной части ТК составляет 16,85 мм.

Табл. 3.2 – Параметры термостабилизатора при задании ГУ на СОУ в общей базе данных Frost.Термо
Наименование в общей базе данных Frost.Термо	Длина испарительной части, м	Разность температур, ℃	Площадь конденсаторной части, м²	Площадь испарительной части, м²
ФСА ТК32-6 (2м испаритель)	2	2	1,61	0,21
ФСА ТК32-7 (3м испаритель)	3	2		0,32
ФСА ТК32-8 (4м испаритель)	4	2		0,42
ФСА ТК32-9 (4м испаритель)	4	2		0,42
ФСА ТК32-10 (5м испаритель)	5	2		0,53
ФСА ТК32-11 (6м испаритель)	6	2		0,64
ФСА ТК32-12 (7м испаритель)	7	3	2,43	0,74
ФСА ТК32-13 (8м испаритель)	8	3		0,85
ФСА ТК32-14 (9м испаритель)	9	3		0,95
ФСА ТК32-15 (10м испаритель)	10	3		1,06
ФСА ТК32-16 (11м испаритель)	11	3		1,17
ФСА ТК32-17 (12м испаритель)	12	5		1,27
ФСА ТК32-18 (13м испаритель)	13	5		1,38
ФСА ТК32-19 (14м испаритель)	14	5		1,48
ФСА ТК32-20 (15м испаритель)	15	5		1,59
ФСА ТК32-21 (16м испаритель)	16	5		1,7
ФСА ТК32-22 (17м испаритель)	17	5		1,8
ФСА ТК32-23 (18м испаритель)	18	5		1,91
ФСА ТК32-24 (19м испаритель)	19	5		2,01
ФСА ТК32-25 (20м испаритель)	20	5		2,12
ФСА ТК32-26 (21м испаритель)	21	5		2,23

Горизонтальные естественнодействующие трубчатые системы (ГЕТ-системы)

Общая техническая информация

Горизонтальные естественнодействующие трубчатые системы (ГЕТ-системы) проектируются индивидуально под каждый инженерный объект или здание (Рис. 3.1). Для ГЕТ-системы площадь охлаждения может достигать до 500 м², а площадь оребрения конденсаторного блока составляет около 110 м². Конденсаторный блок может быть удален от объекта на расстояние до 100 м.

Рис. 3.1 – Пример системы ГЕТ производства ФСА

ГЕТ применяются для термостабилизации вечномерзлых грунтов сливающегося типа с высотой насыпи не более 4 метров. При необходимости замораживания грунтов в летнее время резервные трубы подключаются к холодильной машине.

Особенности задания параметров ГЕТ-систем в базе данных Frost.Термо

При выполнении прогнозных расчетов в программе Frost.Термо температурные потери для систем ГЕТ при аммиачном заполнении следует принимать равными 4 ℃. Радиус трубы испарительной части составляет 16,85 мм. Площади испарительной и конденсаторной частей ГЕТ-системы можно рассчитать согласно формулам главы 3.4.

В общей базе данных приведен пример задания ГУ на СОУ для ГЕТ-системы длиной 380 м, параметры которой представлены в Табл. 3.3.

Табл. 3.3 – Параметры системы ГЕТ при задании ГУ на СОУ в общей базе данных Frost.Термо
Название в общей базе данных	ФСА Система ГЕТ (380 м испаритель)
Длина испарительной части системы, м	380
Разность температур, ℃	4
Радиус трубы испарителя, мм	16,85
Площадь испарителя, м²	40,21
Площадь конденсатора, м²	105,6

Вертикальные естественнодействующие трубчатые системы (ВЕТ-системы)

Некоторая техническая информация

Вертикальные естественнодействующие трубчатые системы (ВЕТ-системы), как и ГЕТ-системы, проектируются индивидуально под каждый инженерный объект или здание (Рис. 3.2). ВЕТ-система состоит из горизонтальной соединительной части (как в ГЕТ) и охлаждающих вертикальных труб (ТОВ). Длина ТОВ обычно варьируется от 6 до 16 м. Для типовой ВЕТ-системы площадь охлаждения, допустимая ширина здания и площадь оребрения конденсаторного блока соответствуют ГЕТ-системе (см. главу 3.2). Конденсаторный блок также может быть удален от объекта на расстояние до 100 м.

Рис. 3.2 – Пример системы ВЕТ производства ФСА

Системы ВЕТ и ГЕТ предназначены для эффективного поддержания заданного температурного режима вечномерзлых грунтов под фундаментами различных сооружений: резервуаров до 100 000 м³, автомобильных и железных дорог, зданий шириной до 120 м.

Особенности задания параметров ВЕТ-систем в базе данных Frost.Термо

При выполнении прогнозных расчетов в программе Frost.Термо температурные потери для систем ВЕТ при аммиачном заполнении следует принимать следующими:

при длине ТОВ до 10 метров – 4 ℃;
при длине ТОВ от 11 до 15 метров – 5 ℃;
при длине ТОВ от 16 до 20 метров – 6 ℃;
при длине ТОВ от 21 до 25 метров – 7 ℃;
при длине ТОВ от 26 до 30 метров – 8 ℃.

Радиус трубы испарительной части составляет 16,85 мм. Площади испарительной и конденсаторной частей ВЕТ-системы можно рассчитать согласно формулам главы 3.4.

В общей базе данных приведен пример задания ГУ на СОУ для ВЕТ-системы с длиной соединительных труб 150 м и 26 ТОВ длиной 12 м. Параметры ВЕТ-системы представлены в Табл. 3.4.

Табл. 3.4 – Параметры системы ВЕТ при задании ГУ на СОУ в общей базе данных Frost.Термо
Название в общей базе данных	ФСА Система ВЕТ (26 ТОВ по 12 м, гор. часть 150 м)
Разность температур, ℃	5
Радиус трубы испарителя, мм	16,85
Площадь испарителя, м²	48,89
Площадь конденсатора, м²	105,6

Расчет площадей испарительной и конденсаторной частей термостабилизатора

Конденсаторная часть

Площадь конденсаторной части состоит из площади верхней и нижней частей ребра, умноженной на количество ребер. Торцевые части ребер и площадь несущей трубы между ребрами не учитываются. Площадь оребрения можно вычислить по следующей формуле:

\(S_{конд} = \left\{ \begin{matrix} \left( \frac{\pi}{2}\left( D^{2} - d^{2} \right)\ \right) \cdot n,\ \ \ \ круглое\ оребрение; \\ \left( D^{2} - \frac{\pi d^{2}}{4} \right) \cdot 2 \cdot n,\ квадратное\ оребрение; \end{matrix} \right.\ \) , (3.1)

где S_конд – площадь всего оребрения конденсаторной части термостабилизатора; n – количество ребер на конденсаторе; D – диаметр/длина оребрения (0,067 м); d – диаметр несущей трубы (0,0337 м).

Рис. 3.3 – Схема оребрения конденсатора термостабилизатора:
квадратное оребрение (слева); вид конденсатора сбоку (по центру); круглое оребрение (справа)

Испарительная часть

В площади испарительной части должна быть учтена вся подземная часть термостабилизатора, за исключением теплоизолированного участка. Площадь испарительной части для одиночных термостабилизаторов и ГЕТ-систем можно рассчитать по следующей формуле:

\(S_{исп} = l \cdot d \cdot \pi\) , (3.2)

где \(d -\) диаметр трубки испарителя (0,0337 м); \(l - \ \)длина испарителя в грунте.

Для ВЕТ-систем площадь испарительной части состоит из горизонтальной соединительной части, длины и количества ТОВ (труба охлаждающая вертикальная):

\(S_{исп} = \left( \left( L_{тов} \cdot d \cdot \pi \right) \cdot n \right) + L_{гор.соед.} \cdot d \cdot \pi\) , (3.3)

где \(L_{тов} - \ \)длина ТОВ; \(n - \ \)количество ТОВ; \(L_{гор.соед.}\) – длина горизонтальной соединительной трубы от конденсаторного блока до последней ТОВ.

Расчет коэффициента теплообмена на конденсаторной части

Коэффициент теплообмена, который нужно ввести в ГУ на СОУ, необходимо рассчитывать отдельно для конденсаторной части термостабилизатора. Данный коэффициент рекомендуется рассчитывать в зависимости от скорости ветра (используется соответствующая методика Кутателадзе [2]) (см. главу 4) в Калькуляторе условий теплообмена, который входит в состав программного комплекса Frost 3D.

Расчет коэффициента теплопередачи конденсаторной части термостабилизатора в Калькуляторе условий теплообмена

Запуск Калькулятора условий теплообмена

Данный калькулятор доступен из окна «База данных» (Рис. 4.1) или из меню «Пуск» (Рис. 4.2). Вид окна Калькулятора условий теплообмена при первом запуске приведен на Рис. 4.3.

Рис. 4.1 – Расположение кнопки «Калькулятор условий теплообмена» в окне «База данных»

Рис. 4.2 – Калькулятор условий теплообмена в меню «Пуск»

Рис. 4.3 – Вид Калькулятора условий теплообмена

Расчетная методика

Данная методика применяется при расчете коэффициента теплопередачи между поверхностью конденсатора СОУ и воздухом [2].

Конденсатор СОУ представляет собой пучок оребренных труб. Вычисление зависимости коэффициента конвективного теплообмена поверхности оребренной трубы от скорости ветра осуществляется через критерий Нуссельта (4.1):

\(\alpha = \frac{\overline{N}u\ \lambda_{в}}{d}\) , (4.1)

который рассчитывается на основании уравнения (4.2):

\(\overline{N}u = C\Pr^{0,33}{Re}^{m}\left( \frac{s_{p}}{d} \right)^{0.4}\left( \frac{d}{h} \right)^{0.14}\left( 1 + \left( \frac{F_{p}}{F} \right)\left( E\varepsilon_{\Delta} - 1 \right) \right)\psi\) , (4.2)

где \(\overline{N}u\) – критерий Нуссельта; \(\Pr\) – критерий Прандтля; \(Re\) – критерий Рейнольдса; \(C\) и \(m\) – параметры, значение которых зависит от конфигурации и соотношения размеров пучка оребренных труб; \(s_{p}\) – шаг оребрения; \(d\) – диаметр трубы; \(h\ \)– высота ребра; \(F_{p}\) – площадь поверхности ребер; \(F\) – площадь полной поверхности теплообмена (поверхность оребрения плюс поверхность между ребрами); \(E\) – коэффициент эффективности оребрения, учитывающий изменения температуры по ребру; \(\varepsilon_{\Delta}\) – коэффициент, учитывающий трапециевидность ребра (в программе принимается равным \(1,0\)); \(\psi\) – коэффициент, учитывающий форму основания ребер.

Внешний вид и функциональность интерфейса

Ниже представлено основное диалоговое окно программы при расчете коэффициента теплопередачи для оребренных труб конденсатора охлаждающего устройства (Рис. 4.4).

Рис. 4.4 – Вид Калькулятора условий теплообмена при расчете коэффициента теплопередачи для СОУ

Основные поля этого диалогового окна (Рис. 4.4 №1-9) имеют следующее назначение:

Скорость ветра – поле ввода скорости ветра как постоянной величины или в виде зависимости от времени. Данный параметр является ключевым в процессе охлаждения СОУ. Точность определения коэффициента теплопередачи между СОУ и окружающей средой сильно зависит от точности и детализации зависимости скорости ветра от времени. В данном поле необходимо указать динамику изменения скорости ветра в течение года.
Диаметр несущей трубы – задание диаметра трубы \(d\).
Форма ребра – выпадающий список выбора формы ребра:
1. Круглое – для цилиндрического ребра.
2. Квадратное – для прямого ребра.
Минимальный выступ ребра – поле ввода расстояния \(h\) от основания ребра, закрепленного на трубе конденсатора, до его края.
Толщина ребра – поле ввода толщины ребра \(l\).
Шаг между центрами ребер – поле ввода расстояния \(s\) между центрами соседних ребер конденсатора.
Теплопроводность ребра – поле ввода теплопроводности материала, из которого произведено ребро.
\(C\) в формуле Кутателадзе – поле ввода эмпирического коэффициента \(C\) в выражении для числа Нуссельта. Рекомендуется оставить значение по умолчанию.
\(m\) в формуле Кутателадзе – поле ввода эмпирического коэффициента \(m\) в выражении для числа Нуссельта. Рекомендуется оставить значение по умолчанию.

Число Нуссельта характеризует условия теплообмена между трубами конденсатора и воздухом, который их поперечно обтекает. В Калькуляторе теплообмена эмпирические параметры \(C\) и \(m\) для числа Нуссельта заданы по умолчанию для одиночного конденсатора.

Используемые источники

ООО НПО «Фундаментстройаркос» — Термостабилизация вечномерзлых грунтов [Электронный ресурс] // Тюмень, 2015–2024. Дата обновления: 23.12.2024. URL: https://www.npo-fsa.ru/ (дата обращения: 23.12.2024).
Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. Москва: Энергоатомиздат, 1990. 367 с.

Руководство по заданию термостабилизаторов 2026