Инструкция по проектированию сетей водоснабжения и канализации для районов распространения вечномерзлых грунтов

Рис. 35. Номограмма для определения вспомогательных величин К_о, К_м, h

Значение коэффициента К_о предварительно находится по графику рис. 35 по величине средней годовой температуры грунта t_o.

Теплота таяния льда в грунте q вычисляется по формуле (69) при значении w_н, определенной для t = t_o.

Величины коэффициентов теплопроводности и объемные теплоемкости грунта принимаются по табл. 4 для значений влажности, указанных в п. 12.14.

Надземные водопроводы

12.18. В зависимости от условий эксплуатации и диаметра водопровода возможны следующие случаи его работы:

образование ледяной корки на внутренних стенках труб не допускается;

образование ледяной корки на внутренних стенках труб допускается.

12.19. Если образование ледяной корки на внутренних стенках трубопровода не допускается, то расчетом надлежит определять или начальную температуру воды t_н, или толщину теплоизоляции d_и при заданной начальной температуре воды.

Температура воды в начале расчетного участка трубопровода (сети или водовода) t_н и толщина теплоизоляции d_и связаны соотношением

t_н (18)

гае t_в — минимальная среднесуточная температура наружного воздуха, °С;

е — экспонент (показательная функция). Значения приведены в прил. 3;

; (19)

(20)

(21)

a_в — коэффициент теплоотдачи от воды к внутренним стенкам трубы, Вт/м²×°С), определяемый по формуле

a_в = 1415 (22)

а_н — коэффициент теплоотдачи от поверхности трубопровода и наружному воздуху, Bт/(м²×°C), определяемый в зависимости от наружного радиуса (с изоляцией) и скорости ветра

а_н = 37 (23)

v — скорость ветра, м/с.

Значения v^0,8, (2r)^0,2 и [2(r + d_и]^0,2 определяются по графикам рис. 36, 37.

Рис. 36. График для определения величины v^0,8

Рис. 37. График для определения величины x

Рис. 38. График для определения коэффициента

Толщина теплоизоляции d_и при заданной температуре воды в начале расчетного участка трубопровода определяется подбором из формулы (18).

Выбор наиболее целесообразного сочетания начальной температуры воды и толщины теплоизоляции определяется теплотехническим и технико-экономическим расчетами.

12.20. При заданной температуре воды в конце расчетного участка трубопровода и толщине теплоизоляции d_и, температура воды в начале расчетного участка t_н должна быть не менее

t_н =(t_к ‑ t_в)e j_з + t_в, (24)

где j_з и t_в — то же, что и в формуле (18).

12.21. При заданной температуре воды в начале t_н и конце t_к расчетного участка трубопровода, требуемую толщину теплоизоляции d_и надлежит определять подбором из формулы

. (25)

12.22. Если на внутренней поверхности трубопровода допускается образование ледяной корки (в периоды резкого похолодания), то толщина ледяной корки d_л определяется по формуле

d_л = 1,2 (26)

откуда S =

где l_л — коэффициент теплопроводности льда, Вт/м×°С);

t_м — продолжительность расчетного периода с температурой воздуха самого холодного месяца, ч;

t_м — температура воздуха в расчетный период t_м, °С.

Значения t_м и t_м принимаются по таблице Справочника по климату СССР Госкомгидромета («Число дней со средней суточной температурой в различных пределах»), при этом величина (t_м — t_в)t по абсолютной величине должна быть наибольшей.

Трубопроводы в тоннелях или каналах

12.23. В случае когда трубопроводы укладываются в тоннеле или канале, расчетом надлежит определять:

глубину оттаивания грунта в основании тоннеля или канала в летнее время;

температуру воздуха в тоннеле или канале в зимнее время, необходимую для промораживания слоя грунта, оттаявшего под каналом за летний период;

расход воздуха для вентилирования тоннеля или канала в летнее и зимнее время;

толщину теплоизоляции труб;

изменение температуры теплоносителя по длине трубопровода, уложенного в тоннеле или канале.

12.24. Устойчивость вентилируемого тоннеля или канала и уложенных в нем трубопроводов при наличии льдонасыщенных грунтов в основании обеспечивается при соотношении

Н_т = Н_м. (27)

где H_т — глубина оттаивания грунта в летнее время в основании тоннеля или канала, равная толщине слоя замененного грунта или предварительно оттаянного и уплотненного, м;

Н_м — глубина промерзания грунта основания тоннеля или канала в зимнее время, м.

12.25. Расчет глубины оттаивания и промерзания грунта надлежит производить по средним температурам воздуха за летний и зимний периоды.

12.26. Глубину оттаивания грунта в основании вентилируемого тоннеля или канала следует определять по формуле

(28)

где x — коэффициент, определяемый по графику рис. 38 в зависимости от параметра J:

(29)

(30)

где d_к — толщина стенки тоннеля или канала, м;

l_к — коэффициент теплопроводности стенки тоннеля или канала, Вт/(м×°С);

b — ширина тоннеля или канала, м;

t_л — среднелетняя температура наружного воздуха, °С;

t_л — продолжительность периода года с положительной средне-суточной температурой, ч.

12.27. Расход воздуха на вентилирование в расчете на 1 м тоннеля или канала в летний период G_л , кг/ч, следует определять по формуле

(31)

где С_в — теплоемкость воздуха, кДж/кг×°С);

t_пр — температура теплоносителя в прямой трубе теплопровода, °С;

t_об — температура теплоносителя в обратной трубе теплопровода, °С;

U — внутренний периметр тоннеля или канала.

Коэффициент теплопередачи К определяется по формулам: для прямой труби

(32)

для обратной трубы

(33)

где r_пр и r_об — наружные радиусы прямой и обратной труб теплопровода, м;

а_н — коэффициент теплоотдачи от поверхности теплоизоляции труб теплопровода к воздуху в тоннеле или канале, Вт/(м²×°С).

Если в тоннеле или канале кроме теплопровода укладываются другие трубопроводы (водопровод, канализация и пр.), то расход воздуха на вентилирование определяется только исходя из теплопотерь теплопровода.

12.28. Средняя температура воздуха в тоннеле или канале за период года с отрицательной температурой воздуха определяется по формуле

(34)

где J — определяется по формуле (29);

t_з — продолжительность периода года с отрицательной средне-месячной температурой воздуха (зимний период), ч.

12.29. Расход воздуха на вентилирование в расчете на 1 м в тоннеле или канале в зимний период G_з, кг/ч, следует определять по формуле

, (35)

где t_з — среднезимняя температура наружного воздуха, °С;

(36)

h₀ — расстояние от поверхности земли до верха канала, м.

12.30. Толщину теплоизоляции труб в тоннеле или канале d_и надлежит определять предварительно по величине допустимых среднегодовых теплопотерь по формуле

(37)

где t_т — температура теплоносителя в трубе, °С;

q_ср — допустимая среднегодовая величина теплопотерь, Вт/м.

12.31. Перепад температуры теплоносителя Dt в самый холодный месяц следует рассчитывать по формуле

Dt = (t_т - t_з.к ) (1 - е^j). (38)

12.32. Если перепад температуры теплоносителя в трубах в самый холодный месяц окажется больше допустимого, то окончательная толщина теплоизоляции определяется по формуле

d_и = r (е^j1 - 1), (39)

где j₁ =

12.33. Тепловой расчет вводов в здания, принятых к прокладке в тоннеле или канале, производится так же, как и для магистральных тоннелей или каналов.

12.34. Размеры зоны оттаивания грунтов вокруг тоннелей или каналов определяются для положительной средней годовой температуры воздуха в канале.

12.35. Предельная глубина оттаивания грунтов под тоннелями или каналами определяется по формуле

h_п = (x_п ‑ m ‑ 1)r. (40)

Предварительно вычисляется значение b:

b = (41)

В расчетах принимается эквивалентное значение радиуса тоннеля или канала, вычисляемое по формуле

. (42)

где U — внутренний периметр тоннеля или канала; значение т вычисляется по формуле

(43)

По значениям b и т по номограмме (рис. 39) находится значение коэффициента x_п.

Рис. 39. Номограмма для определения коэффициента x_п

12.36. Глубина оттаивания грунта под тоннелем или каналом за время t следует определять по формуле для значений b £ 0,1

h_t = (x₀ ‑ m ‑ 1)r. (44)

Коэффициент x₀ находится по номограммам рис. 40 по значениям b, т и параметру J, вычисляемому по формуле

(45)

Глубина оттаивания для промежуточных значении b и т определяется по интерполяции.

При значениях b > 0,1 расчет производится по формуле (40).

Рис. 40. Номограмма для определения коэффициента x₀

12.37. Предельное оттаивание грунта l_n в горизонтальном направлении (от оси трубопровода) при b > 0,1 надлежит определять по формуле

l_n = 0,5 x_п r, (46)

где x_п — коэффициент, определяемый по номограмме рис. 39 по значениям b по формуле (41) при

12.38. Оттаивание грунта в горизонтальном направлении l_t при b £ 0,1 за время t следует определять по формуле

l_t = 0,5j_оr, (47)

где j_о — коэффициент, определяемый по номограмме рис. 41 по значениям b по формуле (41) при и J формула (45).

Рис. 41. Номограмма для определения коэффициента j_о

Для значений b > 0,1 расчет производится по формуле (46).

12.39. При заданной глубине оттаивания грунта под серединой тоннеля или канала Н_з среднегодовую допустимую температуру воздуха в тоннеле или канале t_доп

в зависимости от значения

b = . (48)

надлежит определять по формулам:

при b £ 0,1

t_доп = . (49)

при b > 0,1

t_доп = . (50)

Предварительно следует задаваться приближенным значением среднегодовой допустимой температуры воздуха в тоннеле или канале t_доп и определять значение b по формуле (48), после чего определять значение т по формуле (43) и значение x₀, равное:

x₀ = + т + 1. (51)

при b £ 0,1 по значениям x₀, b и т по номограмме рис. 40 находится значение J. По формуле (49) вычисляется значение t_доп. В случае расхождения предварительно заданного значения t_доп и вычисленного по формуле (49) более чем на 5° расчет повторяется.

При b > 0,1 по значениям x₀ = x_п и т по номограмме рис. 39 находится значение b. При расхождении предварительно заданного значения t_доп и вычисленного по формуле (50) более чем на 2° расчет повторяется.

12.40. При заданной величине оттаивания грунта от оси тоннеля или канала в горизонтальном направлении L_з определение допустимой среднегодовой температуры воздуха в канале t_доп следует производить способом, аналогичным изложенному в п. 12.39.

По заданному оттаиванию грунта в сторону от тоннеля или канала L_з находится значение j по формуле

j = , (52)

после чего задается приближенное значение t_доп и по формуле (48) вычисляется значение b.

при b £ 0,1 по значениям j, b и т по номограмме рис. 41 находится значение J и по формуле (49) вычисляется значение t_доп.

При расхождении предварительно заданного значения t_доп (предварительно заданного и полученного расчетом) более чем на 5° расчет повторяется при полученном расчетом значении t_доп.

При b > 0,1 вычисляется x_п = (53) и по значению x_п и т по номограмме рис. 39 находится значение b, по которому по формуле (50) определяется значение t_доп.

Подземные водопроводы

12.41. Температуру воды в конце t_к и в начале t_н расчетного участка трубопровода (сети или водовода), если не учитывается нагрев за счет трения воды о стенки трубопровода, следует определять по формулам:

(54)

(55)

(56)

где v — коэффициент, зависящий от степени заполнения трубопровода (для напорных трубопроводов v = l); для самотечных трубопроводов, работающих неполным сечением, определяется по табл. 2;

К — коэффициент теплопередачи, Вт/(м×°С), определяемый по формулам:

для трубопроводов без теплоизоляции

(57)

где R₀ — определяется по графику рис. 42 в зависимости от отношения

для трубопроводов с теплоизоляцией

(58)

где R_и — термическое сопротивление теплоизоляции трубопровода, м×°С/Вт.

Таблица 2

Температура

Значение коэффициента v в зависимости от материала и степени заполнения канализационной трубы, %

t_r °С

сталь, чугун

бетон, железобетон

10

30

l00

10

30

l00

0

0,8

0,95

1

0,7

0,8

1

‑ 2

0,75

0,85

1

0,65

0,75

1

‑ 4

0,7

0,8

1

0,6

0,7

1

‑ 6

0,66

0,77

1

0,55

0,66

1

Рис. 42. Номограмма для определения вспомогательной величины R₀

12.42. При подогреве трубопровода электрическим кабелем, уложенным вдоль трубопровода, не рекомендуется полностью срабатывать талую зону грунта, окружающего трубопровод, даже во время аварий. За минимальную толщину слоя грунта сверху трубы принимается слой, равный по величине радиусу трубопровода (рис. 43).

Рис. 43. Схема для расчета талика вокруг трубопровода

1 — поверхность грунта; 2 — трубопровод; 3 — нулевая изотерма; 4 — талик

12.43. Температуру воды в трубопроводе, °С, необходимую для образования над верхней образующей трубы талика толщиной r_н, надлежит определять по формуле

(59)

где d_н — наружный диаметр трубопровода, м.

12.44. Уравнение нулевой изотермы вокруг неизолированного трубопровода выражается зависимостью

(60)

где Q — тепловые потери трубопровода при подземной прокладке, Вт/м;

l_r — приведенный коэффициент теплопроводности грунта, Вт/(м×°С);

(61)

где y_i — расстояние от поверхности земли до верха талика, м, рис. 43;

х, у — координаты пулевой изотермы.

При x = 0, y₁ = h — d_н

(62)

12.45. Тепловые потери трубопровода, для x = 0, y₁ = h — d_н равны, Вт/м,

(63)

12.46. Теплопроизводительность системы попутного электроподогрева Т_г.к, Вт, надлежит определять исходя из расчетного дефицита тепла с учетом непроизводительных затрат, а при движении воды также с учетом увеличения теплосодержания воды:

Т_г.к = QK₁K₂ (64)

где K₁ — коэффициент, учитывающий непроизводительные затраты тепла, выделяемого греющим кабелем;

K₂ — коэффициент, учитывающий отклонение фактических тепловых потерь от расчетных за счет изменения мерзлотно-грунтовых условий по трассе, отметок заложения трубопровода, неравномерности уплотнения грунта при обратной засыпке.

Для нескальных грунтов следует принимать: K₁ = l,2; K₂ = 1,1.

12.47. Необходимую минимальную температуру греющего кабеля следует определять по формуле

(65)

где d_к — диаметр электрического кабеля, м;

a_к — коэффициент теплопередачи кабеля в окружающую среду, Вт/(м²×°С).

12.48. При заданном напряжении силу тока J надлежит определять по формуле

(66)

где v — напряжение, подаваемое на греющий кабель, В;

L_к — длина кабеля, м.

12.49. Требуемое сопротивление греющего кабеля R_г.к, Ом/км, следует определять по формуле

(67)

где b_э — температурный коэффициент электрического сопротивления греющего кабеля

12.50. Расчетом следует определять глубину оттаивания грунта под водоводами и разводящими сетями по формулам (40), (41), (44), (45) и оттаивание грунта в горизонтальном направлении от оси трубопровода по формулам (46), (47).

12.51. Канализационные коллекторы и канализационные выпуски из зданий рассчитываются так же, как водоводы, разводящие сети и вводы системы водоснабжения.

ПРИЛОЖЕНИЕ I

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ РАСЧЕТАХ

r — внутренний радиус трубы, м;

r_н — наружный радиус трубы, м;

h — глубина заложения трубы (от поверхности грунта до ее оси), м;

l — длина расчетного участка трубопровода, м;

Н_т — глубина оттаивания грунта, м;

H_м — глубина промерзания грунта, м;

Н_с — толщина снежного покрова, м;

r_и — радиус трубы с изоляцией, м;

d_и — толщина теплоизоляции, м;

S — толщина слоя грунта, термическое сопротивление которого равно термическому сопротивлению изоляции, снега и т. п.; при наличии одновременно снега и теплоизоляции толщина слоя грунта S определяется по формуле

(68)

l_т — коэффициент теплопроводности грунта в талом состоянии, Вт/(м×°С), определяемый по табл. 4;

l_м — коэффициент теплопроводности грунта в мерзлом состоянии, Вт/(м×°С), определяемый по табл. 4;

l_с — коэффициент теплопроводности снега, Вт/(м×°С), определяемый по табл. 3;

l_и — коэффициент теплопроводности теплоизоляции, Вт/(м×°С);

R₀ — вспомогательная величина для вычисления термического сопротивления трубы, уложенной в грунт, определяемая по номограмме рис, 42;

R_и — термическое сопротивление кольцевой теплоизоляции трубопровода, м×°С/Вт;

v — скорость движения воздуха, м/с;

v_в — скорость движения воды, м/с;

С_т — коэффициент теплоемкости талого грунта, кДж/(м³×°С), определяемый по табл. 4;

С_м — коэффициент теплоемкости мерзлого грунта, кДж/(м³×°С), определяемый по табл. 4;

t — температура жидкости, °С;

t_н — температура жидкости в начале расчетного участка трубопровода, °С;

t_к — температура жидкости в конце расчетного участка трубопровода, °С;

t_в — температура воздуха, °С;

t_r — расчетная температура грунта на глубине заложения трубопровода, °С;

t₀ — среднегодовая температура грунта, °С;

q — теплота замерзания воды или таяния льда в 1 м³ грунта, кДж/м равная: