Modeling of Thermal Interaction of the Central Cooling Supply Pipeline System With Frozen Ground

Abstract

В работе приводится математическая модель теплового взаимодействия двух трубопроводов центрального хладоснабжения с массивом грунта. Модель включает в себя посуточное изменение параметров теплообмена окружающей среды. Учет фазового перехода поровой воды при промерзании и оттаивании песчаного грунта, проводится через функцию количества незамерзшей воды. Теплофизические свойства влажного песчаного грунта являются непостоянными в модели и функционально связаны c функцией количества незамерзшей воды. Граничное условие теплообмена на дневной поверхности песчаного грунта построено с учетом суммарного солнечного излучения, альбедо поверхности, скорости ветра. Данные характеристики построены на основе натурных наблюдений в районе г. Якутска. Для численного интегрирования предложенной нами модели, применялась универсальная среда численного моделирования Comsol Multiphysics v.6.0. Основой среды является конечно-элементный метод для численного решения уравнений в частных производных. Довольно легко оказалось с помощью данной среды поставить граничные условия при вынужденной конвекции на внутренней стенке трубопровода с движущейся водой. Моделирование задачи о распространении тепла в массиве грунта рассмотрели в двумерной постановке. В качестве примера для расчета температурного поля была взята площадка в районе г. Якутска с однородным минералогическим составом близким к песчаному грунту. Результаты расчетов показывают, что температурный режим проложенных подземным путем трубопроводов центрального хладоснабжения, оказывает существенное влияние на температуру многолетнемерзлого массива грунта, т.е. приводит его к растеплению. Отсюда следует, что при такой схеме прокладки систем трубопроводов требуется провести ряд мероприятий по сохранению устойчивости и прочности многолетнемерзлого грунта.

Approach development to the pipeline networks design an integrated heat and cold supply system on the example of Yakutsk city

“…The water flow rate in pipelines is 1.059 m/s. The thermal interaction modeling results showed that the engineering system operation has a strong impact on the soil upper layers temperature regime, and below a depth of 2.5 m, the change in soil temperature is not significant [4]. In turn, the support-concrete piles bearing capacity with a length of 6-12 meters depends on the strength of the soil much below a depth of 2.5 m.…”

“…The introduction of integrated energy systems can improve energy efficiency, reduce energy losses, and enhance the overall reliability of energy systems [1,7]. For example, waste heat from a power plant can be used to supply consumers with cold [2][3][4]. Overall, research and development on integrated energy systems are an important step towards an efficient and sustainable energy future.…”

“…Thermal interaction modeling of the soil mass with the pipeline is carried out in COMSOL Multiphysics 6.0 software package, taking into account pore moisture phase transitions. The computational domain is a transverse section of a soil mass 10 m wide and 6 m deep with pipelines laid at a depth of 1 m parallel to each other [4]. The pipelines laying method is underground, non-channel.…”