Bulletin of scientific research results Bulletin of scientific research results Бюллетень результатов научных исследований 2223-9987 70303 10.20295/2223-9987-2023-3-147-156 Общетехнические задачи и пути их решения GENERAL TECHNICAL PROBLEMS AND SOLUTION APPROACH Общетехнические задачи и пути их решения Analysis of Heat Exchange Processes on the Surface of the Aboveground Pipeline with Heat Insulation Анализ процессов теплообмена на поверхности надземного трубопровода с теплоизоляцией Лапшин Владимир Федорович Lapshin Vladimir Fedorovich

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I Санкт-Петербург Россия Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University Saint-Petersburg Russian Federation 26 09 2023 26 09 2023 2023 3 147 156 23 09 2023 https://izvestiapgups.editorum.ru/en/nauka/article/70303/view

Цель: Объекты транспортной инфраструктуры включают в себя разнообразные системы водоснабжения. В условиях отрицательных температур окружающей среды возникает опасность замерзания и разрушения водоводов. При математическом моделировании работы надземных трубопроводов большое значение имеет правильное описание процесса теплообмена между наружной стенкой трубопровода и окружающей атмосферой. Граничное условие, соответствующее этому процессу, традиционно включает в себя коэффициент теплопередачи, зависящий от ряда непредсказуемых параметров (скорости и направления ветра, давления атмосферы, влажности воздуха). Цель настоящей работы состоит в проведении сравнительного анализа роли свободного и вынужденного конвективного теплообмена и обосновании возможности постановки граничного условия, зависящего только от температуры наружного воздуха. Методы: Для решения поставленной задачи в работе используется численный анализ критериев подобия для процесса теплообмена в условиях, характерных для работы надземного трубопровода с теплоизоляцией. Обоснование граничного условия на внешней поверхности трубопровода основывается на законе сохранения энергии. Результаты: Определены области значений параметров задачи, при которых преобладает свободный или вынужденный конвективный теплообмен. Показано, что в условиях, характерных для работы надземных водоводов, преобладает вынужденная конвекция. При этом разница между температурами внешней поверхности трубопровода с теплоизоляцией и окружающей атмосферы мала. Показано, что в этом случае в качестве граничного условия целесообразно использовать равенство температур атмосферного воздуха и поверхности трубопровода. Практическая значимость: Понимание механизмов теплообмена позволяет создать адекватную модель работы трубопровода в условиях отрицательных температур. Постановка более точного и простого граничного условия на поверхности водовода упрощает задачу математического моделирования. Результаты, полученные в настоящей статье, могут быть использованы при математическом моделировании трубопроводов с теплоизоляцией.

Purpose: Transport infrastructure facilities include a variety of water supply systems. In the conditions of negative ambient temperatures, there is a risk of freezing and destruction of water pipelines. In mathematical modeling of the operation of aboveground pipelines, the correct description of the heat exchange process between the outer wall of the pipeline and the surrounding atmosphere is of great importance. The boundary condition corresponding to this process traditionally includes a heat transfer coefficient depending on a number of unpredictable parameters (wind speed and direction, atmospheric pressure, air humidity). The purpose of this work is to carry out a comparative analysis of the role of free and forced convective heat exchange and to justify the possibility of setting a boundary condition that depends only on the outside air temperature. Methods: To solve this problem, the work uses numerical analysis of similarity criteria for the heat exchange process under conditions typical for the operation of an above-ground pipeline with thermal insulation. The justification of the boundary condition on the external surface of the pipeline is based on the law of energy conservation. Results: The values of the parameters of the problem are determined, in which free or forced convective heat exchange prevails. It has been shown that forced convection prevails in conditions typical for the operation of above-ground water pipelines. Under these conditions, the difference between the temperature of the external surface of the insulated pipeline and the surrounding atmosphere is small. It has been shown that in this case, it is advisable to use the equality of atmospheric air temperatures and pipeline surface temperatures as a boundary condition. Practical significance: Understanding the mechanisms of heat exchange makes it possible to create an adequate model of the operation of pipelines in conditions of negative temperatures. Setting a more accurate and simple boundary condition on the surface of the pipeline simplifies the task of mathematical modeling. The results obtained in this article can be used in mathematical modeling of any pipelines with thermal insulation.

 Надземный трубопровод теплоизоляция конвективный теплообмен коэффициент теплопередачи граничное условие математическая модель Above-ground pipeline heat insulation convective heat exchange heat transfer coefficient boundary condition mathematical model

Богословский П. А. Ледовый режим трубопроводов гидроэлектрических станций / П. А. Богословский. - М.; Л.: Госэнергоиздат, 1950. - 154 с. Bogoslovskiy P. A. Ledovyy rezhim truboprovodov gidroelektricheskih stanciy / P. A. Bogoslovskiy. - M.; L.: Gosenergoizdat, 1950. - 154 s. Жидких В. М. Ледовый режим трубопроводов / В. М. Жидких, Ю. А. Попов. - Л.: Энергия, 1979. - 132 с. Zhidkih V. M. Ledovyy rezhim truboprovodov / V. M. Zhidkih, Yu. A. Popov. - L.: Energiya, 1979. - 132 s. Cheng K. C. Freezing and melting heat transfer in engineering: Selected topics on ice-water systems and welding and casting processes / K. C. Cheng, N. Seki. - New York: Hemisphere, 1991. - 815 p. Cheng K. C. Freezing and melting heat transfer in engineering: Selected topics on ice-water systems and welding and casting processes / K. C. Cheng, N. Seki. - New York: Hemisphere, 1991. - 815 p. Gordon J. R. An Investigation into Freezing and Bursting Water Pipes in Residential Construction / J. R. Gordon // Research Report, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, USA. - 1996. - Iss. 96-1. - Pp. 1-51. - URL: https://www.ideals.illinois.edu/items/54859. Gordon J. R. An Investigation into Freezing and Bursting Water Pipes in Residential Construction / J. R. Gordon // Research Report, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, USA. - 1996. - Iss. 96-1. - Pp. 1-51. - URL: https://www.ideals.illinois.edu/items/54859. Akyurt M. Freezing phenomena in ice-water systems / M. Akyurt, G. Zaki, B. Habeebullah // Energy Conversion and Management. - 2002. - Vol. 43. - Pp. 1773-1789. Akyurt M. Freezing phenomena in ice-water systems / M. Akyurt, G. Zaki, B. Habeebullah // Energy Conversion and Management. - 2002. - Vol. 43. - Pp. 1773-1789. McDonald A. Mathematical simulation of the freezing time of water in small diameter pipes / A. McDonald, B. Bschaden, E. Sullivan et al. // Applied Thermal Engineering. - 2014. - Vol. 73(1). - Pp. 142-153. McDonald A. Mathematical simulation of the freezing time of water in small diameter pipes / A. McDonald, B. Bschaden, E. Sullivan et al. // Applied Thermal Engineering. - 2014. - Vol. 73(1). - Pp. 142-153. Hongfei Xu. Modelling ice and wax formation in a pipeline in the Arctic environment / Xu Hongfei, H. Dali, S. Yue et al. // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. - 2020. - Vol. 66. - P. 104197. - DOI: 10.1016/j.jlp.2020.104197. Hongfei Xu. Modelling ice and wax formation in a pipeline in the Arctic environment / Xu Hongfei, H. Dali, S. Yue et al. // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. - 2020. - Vol. 66. - P. 104197. - DOI: 10.1016/j.jlp.2020.104197. Терехов Л. Д. Внутреннее обледенение водоводов в зимний период / Л. Д. Терехов, Н. В. Твардовская, Е. А. Твардовская // III Бетанкуровский международный инженерный форум: сборник трудов, Санкт-Петербург, 2-3 декабря 2021 года. - СПб.: ФГБОУ ВО ПГУПС, 2021. - Т. 2. - С. 161-164. Terehov L. D. Vnutrennee obledenenie vodovodov v zimniy period / L. D. Terehov, N. V. Tvardovskaya, E. A. Tvardovskaya // III Betankurovskiy mezhdunarodnyy inzhenernyy forum: sbornik trudov, Sankt-Peterburg, 2-3 dekabrya 2021 goda. - SPb.: FGBOU VO PGUPS, 2021. - T. 2. - S. 161-164. Михеев М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева. - М.: Энергия, 1977. - 344 с. Miheev M. A. Osnovy teploperedachi / M. A. Miheev, I. M. Miheeva. - M.: Energiya, 1977. - 344 s. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена / С. С. Кутателадзе. - М.: Атомиздат, 1979. - 416 с. Kutateladze S. S. Osnovy teorii teploobmena / S. S. Kutateladze. - M.: Atomizdat, 1979. - 416 s. Ландау Л. Д. Теоретическая физика. Т. VI. Гидродинамика / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. - М.: Наука, 1986. - 736 с. Landau L. D. Teoreticheskaya fizika. T. VI. Gidrodinamika / L. D. Landau, E. M. Lifshic. - M.: Nauka, 1986. - 736 s. ГОСТ 21880-2011. Маты из минеральной ваты прошивные теплоизоляционные / Редактор В. Н. Копысов. - М.: Стандартинформ, 2012. - 10 с. GOST 21880-2011. Maty iz mineral'noy vaty proshivnye teploizolyacionnye / Redaktor V. N. Kopysov. - M.: Standartinform, 2012. - 10 s.