Расчет ВЕТ-системы для термостабилизации грунтов
Рассмотрим выполнение прогнозного моделирования температурного поля грунтов основания установки расходных резервуаров метанола. Для термостабилизации грунтов применяется ВЕТ-система.
Примечание: Пример подготовлен с использованием материалов ПАО «ВНИПИгаздобыча» и ООО НПО «Фундаментстройаркос». Строительные решения, климатические параметры, геологические и геокриологические условия, последовательность строительных работ изменены для целей примера расчета и не соответствуют реальному объекту.
Климатические характеристики
Климатические характеристики района строительства приведены в таблице.
| Показатель | Месяцы | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | |
| Температура в-ха, ⁰С | -23.7 | -22.9 | -14.4 | -8.2 | 0.0 | 9.9 | 15.7 | 12.0 | 5.7 | -4.2 | -15.2 | -20.9 |
| Скорость ветра, м/с | 3.0 | 3.1 | 3.3 | 3.5 | 3.8 | 3.8 | 3.3 | 3.0 | 3.2 | 3.3 | 3.0 | 2.9 |
| Высота снега, м | 0.53 | 0.62 | 0.68 | 0.65 | 0.28 | - | - | - | - | 0.08 | 0.25 | 0.40 |
Геокриологические условия
Геокриологические условия площадки характеризуются сплошным развитием многолетнемерзлых грунтов, мерзлота сливающегося типа. Температура грунтов на глубине 10 метров составляет минус 1,0 ⁰С.
Свойства грунтов приведены в таблице ниже.
| Наименование показателя | Обозначение | Ед.измерения | Насыпной грунт | ИГЭ №131100. Глина мерзлая | ИГЭ №130200. Глина | ИГЭ №141000. Суглинок мерзлый | ИГЭ №141100. Суглинок мерзлый | ИГЭ №141000Э. Суглинок мерзлый | ИГЭ №151000Э. Супесь мерзлая |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Физические свойства | |||||||||
| Плотность грунта в сухом состоянии | Rdf | кг/м³ | 1740 | 1330 | 1420 | 1870 | 1460 | 1930 | 1930 |
| Суммарная влажность | Wtot | д.е. | 0,18 | 0,349 | 0,307 | 0,14 | 0,28 | 0,124 | 0,102 |
| Степень засоленности | Dsal | % | - | 0,062 | - | 0,065 | 0,066 | 0,078 | 0,063 |
| Число пластичности | Ip | д.е. | - | 0,193 | 0,188 | 0,104 | 0,117 | 0,099 | 0,055 |
| Влажность на границе раскатывания | Wp | д.е. | - | 0,241 | 0,239 | 0,178 | 0,192 | 0,178 | 0,171 |
| Теплофизические свойства | |||||||||
| Температура начала замерзания | Tbf | ⁰С | -0,15 | -0,25 | -0,25 | -0,23 | -0,23 | -0,23 | -0,2 |
| Теплопроводность талого грунта | λth | Вт/(м*К) | 2,32 | 1,57 | 1,49 | 1,53 | 1,55 | 1,54 | 1,61 |
| Теплопроводность мерзлого грунта | λf | Вт/(м*К) | 2,73 | 1,76 | 1,7 | 1,74 | 1,77 | 1,74 | 1,78 |
| Объемная теплоемкость талого грунта | Cth | МДж/м³ | 2,63 | 3,18 | 3,14 | 2,76 | 3,03 | 2,72 | 2,48 |
| Объемная теплоемкость мерзлого грунта | Cf | МДж/м³ | 1,93 | 2,43 | 2,62 | 2,36 | 2,27 | 2,37 | 2,16 |
| Коэффициенты кривой незамерзшей воды Ww(t)= A + B / (C - t), где t - температура, ⁰С | А | - | 0,0013 | 0,1461 | 0,136 | 0,0597 | 0,0685 | 0,0577 | 0,0356 |
| B | - | 0,0016 | 0,1341 | 0,1525 | 0,1707 | 0,1098 | 0,1999 | 0,1826 | |
| C | - | 0,4452 | 0,511 | 0,8041 | 1,8947 | 0,4511 | 2,7837 | 2,5503 | |
| Теплота фазового перехода | Qf | МДж/м³ | - | - | - | - | - | - | - |
Строительные решения
Установка расходных резервуаров метанола представляет собой вертикальные резервуары объемов по V=2000 м3. Резервуары устанавливаются на свайный фундамент с обваловкой из блоков ФБС и засыпкой свай.
В резервуары поступает технологический продукт с температурой +37 ⁰С.
Грунты основания используются по I принципу, т.е. с сохранением мерзлого состояния в процессе строительства и эксплуатации. Сваи фундамента погружаются в грунт буроопускным способом. Бурится скважина диаметром большим чем погружаемая свая. Скважина заполняется цементно-песчаным раствором. Укладываемый раствор должен иметь положительную температуру (зимой подогреть до 20 ⁰С). Затрубное пространство сваи на высоту сезонно-талого слоя заполняется сухим непучинистым грунтом. Внутренняя полость сваи заполняется цементно-песчаным раствором.
Температурная стабилизация грунтов оснований
Технические решения по термостабилизации грунтов предусматривают одновременное использование теплового экрана (теплоизоляция типа «Пеноплекс») и ВЕТ-системы.
Схема расположения тепловых экранов приведена на рисунке ниже.
Схема расположения контуров охлаждения ВЕТ-системы приведена на рисунке ниже.
Прогноз температурного режима грунтов
Прогнозное моделирование температурного поля грунтов осуществлялось численными методами с учетом требований к порядку составления прогноза изменения температурного режима грунтов РСН 31-83 (п. 1.6., 2.35., 3.15.- 3.19., 4.16.-4.19.) и РСН 67-87. Расчеты выполнялись на программе «Борей 3D» (www.boreas3d.ru). Программа Борей 3D сертифицирована на предмет соответствия нормативных документов. Сертификат №RA.RU.АБ86.H01114.
Составление прогноза температурного режима грунтов осуществляется в трехмерной постановке. Моделируемая область является трехмерным параллелепипедом, ограниченным сверху дневной поверхностью на нижней и боковых гранях расчетной области, задается нулевой тепловой поток.
Размеры области определяются конструктивно-техническими особенностями рассматриваемого объекта (геотехнической системы), расчетным сроком моделирования, а также симметричностью тепловых расчетов в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси, проходящей через геометрический центр сооружения, исходя из условия исключения теплового влияния границ области на результаты расчета (его отсутствия через боковые границы).
Этапы выполнения строительства
Расчет выполнялся с поэтапным моделированием строительного периода:
- Первый этап – возведение насыпи.
Моделировалось изменение теплового режима грунтов при возведении насыпи. Для данных расчетов принят вариант возведения насыпи в конце зимнего периода мерзлым грунтом. Срок прогноза составлял о один календарный год. В качестве начального температурного поля приняты значения температур грунтов полученные при процедуре адаптации граничных условий.
- Второй этап – период эксплуатации.
Моделировалось тепловое воздействие от строительства и эксплуатации сооружения. Погружения свай и охлаждающих контуров ВЕТ-системы принято на момент 15 мая. Температурное с первого этапа моделирования (возведения насыпи) принято в качестве начального температурного поля грунтов.
Адаптация условий теплообмена
Теплообмен на поверхности земли зависит от большого числа факторов: альбедо естественных или искусственных поверхностей, прямой и рассеянной солнечной радиации, конвективной (скорость ветра на поверхности земли), инфильтрации и испарения влаги, кондуктивной составляющей (теплопроводность и мощность растительного и снежного покровов) и т.д. Влияние некоторых из них на формирование теплового режима сложно корректно оценить. В связи с этим, расчеты производятся с использованием эффективных величин коэффициента теплопередачи. Методика расчета эффективной величины коэффициента теплопередачи (адаптации) реализована в ПО Борей 3D в автоматическом режиме. Методика адаптации будет приведена на сайте.
Значения адаптированных граничных условий приведены в таблице ниже.
| Показатель | Месяцы | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | |
| Температура в-ха, ⁰С | -23,7 | -22,9 | -14,4 | -8,2 | 0,0 | 9,9 | 15,7 | 12,0 | 5,7 | -4,2 | -15,2 | -20,9 |
| Скорость ветра, м/с | 3,0 | 3,1 | 3,3 | 3,5 | 3,8 | 3,8 | 3,3 | 3,0 | 3,2 | 3,3 | 3,0 | 2,9 |
| Теплоотдача, Вт/(м²*К) | 9,53 | 9,77 | 10,25 | 10,73 | 11,45 | 11,45 | 10,25 | 9,53 | 10,01 | 10,25 | 9,53 | 9,29 |
| Высота снега, м | 0,220 | 0,257 | 0,282 | 0,270 | 0,116 | - | - | - | - | 0,033 | 0,104 | 0,166 |
| Плотность снега, кг/м³ | 130 | 136 | 141 | 147 | 342 | - | - | - | - | 96 | 109 | 120 |
| Теплопроводность снега, Вт/(м*К) | 0,190 | 0,198 | 0,203 | 0,211 | 0,562 | - | - | - | - | 0,155 | 0,167 | 0,179 |
| Коэффициент теплопередачи, Вт/(м²*К) | 0,792 | 0,712 | 0,672 | 0,729 | 3,399 | 11,450 | 10,250 | 9,530 | 10,010 | 3,208 | 1,380 | 0,967 |
Расчетная область
Модель расчетной области представляет собой параллелепипед с размерами 130 х 75 х 50 метров. Расчетная область показана на рисунке ниже.
Примечание: При правильном использовании симметрии, возможно значительное сокращение времени расчета. В данном примере симметрия не использовалась для большей наглядности представляемых результатов.
Схема расположения свай и строительных конструкций в модели приведена на рисунке.
На верхней границе расчетной области задавались адаптированные граничные условия третьего рода с учетом снежного покрова, а также граничные условия, характеризующие тепловое воздействие сооружения. На нижней границе и на боковых границах расчетной области – граничные условия второго рода, тепловой поток равен нулю.
В местах установки резервуаров приняты пряничные условия 1-рода с температурой +37⁰С.
В расчете учтено тепловое влияние от свай при устройстве фундамента, как с подогревом бетона при бетонировании свай, так и с теплом, выделяемым при гидратации. График тепловыделения от цементно-песчаного раствора М150 приведен на рисунке.
Моделирование работы ВЕТ-системы производится путем расчета значений внутренних стоков теплоты на основе конструктивных характеристик охлаждающих контуров и конденсаторных блоков, описывающих их работу. Для описания работы ВЕТ-системы задаются величины среднемесячных температур воздуха и коэффициента теплообмена, определяемых на основе скорости ветра на уровне конденсаторных блоков ВЕТ-системы. Расчет теплоотдачи с единицы поверхности испарителя охлаждающих устройств, ведется внутри программы на основе расчета теплового баланса по каждому термостабилизатору на каждом шаге итерации. При решении теплового баланса по охлаждающему контуру на каждом шаге итерации проверяются критерии запуска и остановки работы ВЕТ-системы. Тепловые характеристики работы термостабилизатора, эквивалентные постановки граничных условий теплообмена в аналогичных программах расчета приведены в таблице.
| Показатель | Месяцы | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | |
| Температура в-ха, ⁰С | -23,7 | -22,9 | -14,4 | -8,2 | 0,0 | 9,9 | 15,7 | 12,0 | 5,7 | -4,2 | -15,2 | -20,9 |
| Скорость ветра, м/с | 3,0 | 3,1 | 3,3 | 3,5 | 3,8 | 3,8 | 3,3 | 3,0 | 3,2 | 3,3 | 3,0 | 2,9 |
| Коэф. теплоотдачи к поверхности конденсатора, Вт/(м²*К) | 22,10 | 22,51 | 23,33 | 24,15 | - | - | - | - | - | 23,33 | 22,10 | 21,69 |
| Эффективный коэф. теплопередачи, отнесенный к наружной поверхности испарителя, Вт/(м²*К) | 2,69 | 2,74 | 2,84 | 2,94 | - | - | - | - | - | 2,84 | 2,69 | 2,64 |
Область исследования разбивается на прямоугольные элементы произвольных размеров. Разбивка производится горизонтальными и вертикальными плоскостями (разбивочными плоскостями), параллельными соответствующим границам области. В расчетной области шаг горизонтальной сетки изменялся в пределах от 0,1 до 1,0 м. Вертикальная разбивка осуществлялась в пределах от 0.1 до 3.0 м. Расчетная область состоит из 386х199х87 ячеек (6,7 млн. ячеек).
Результаты расчета
Результаты расчета приведены на рисунках ниже.
Трехмерное температурное поле на 15 октября 3-го года эксплуатации.
Сечение (разрез) температурного поля грунтов оснований.
Температурное поле грунтов на 15 мая 1-го года (начало эксплуатации).
Температурное поле грунтов на 15 октября 1-го года.
Температурное поле грунтов на 15 октября 2-го года.
Температурное поле грунтов на 15 октября 3-го года.
Температурное поле совместно с распределением грунтов в основании резервуарного парка приведено на 15 октября 4-го года.
Расчетные температуры по термометрической скважине, расположенной под центром резервуара приведены в таблице.
| Глубина, м | Температура грунта по термометрической скважине, ⁰С | |||
|---|---|---|---|---|
| На начало расчета (15 мая) | На конец летних периодов (15 октября) | |||
| 1 год | 2 год | 3 год | ||
| 1,0 | -2,42 | -0,15 | 4,07 | 5,70 |
| 2,0 | -1,98 | -0,31 | 1,27 | 3,00 |
| 3,0 | -1,28 | -0,49 | -0,67 | -0,11 |
| 4,0 | -1,22 | -0,36 | -0,99 | -1,37 |
| 5,0 | -1,25 | -0,10 | -1,19 | -1,91 |
| 6,0 | -1,23 | 0,01 | -1,33 | -2,21 |
| 7,0 | -1,17 | 0,01 | -1,41 | -2,36 |
| 8,0 | -1,11 | -0,11 | -1,44 | -2,37 |
| 9,0 | -1,06 | -0,42 | -1,41 | -2,27 |
| 10,0 | -1,02 | -0,72 | -1,33 | -2,08 |
| 11,0 | -1,01 | -0,88 | -1,23 | -1,86 |
| 12,0 | -1,00 | -0,96 | -1,13 | -1,62 |
| 13,0 | -0,99 | -0,98 | -1,06 | -1,40 |
| 14,0 | -0,99 | -0,99 | -1,01 | -1,23 |
| 15,0 | -0,99 | -0,99 | -0,99 | -1,12 |
Время выполнения расчета модели, состоящей из 6,7 млн. ячеек на 30-ти летний период составляет:
- На центральном процессоре (Intel i7-6700К) — 30 часов.
- На видеокарте (GeForce GTX 1080) – 2 часа 30 минут.
Выводы
Исходя из представленных расчетов можно сделать следующие выводы:
- Из результатов расчетов виден значительный переток теплоты сквозь слой теплоизоляции по телу свай.
- Тепловыделения от свай при заполнении свай цементно-песчаными раствором и гидратации цемента в процессе твердения при водит к повышению температур грунтов. Восстановление исходного температурного состояния, происходит по прошествии летнего сезона и с включением ВЕТ в работу.
- В результате работы СОУ происходит промораживание грунтов и понижение температур грунтов. Компенсация теплового воздействия от свай фундамента и выполнение отсыпки талым грунтом происходи за 3 месяца работы ВЕТ.
Файлы для загрузки
Файлы примера доступны по ссылке.