Когда замерзает водопровод?

Опубликовано 19 Авг 2019
Рубрика: Теплотехника | 10 комментариев



Значок Лёд в трубе!Однажды довелось наблюдать успешный опыт эксплуатации технического водопровода, проложенного по воздуху от скважины до административного здания. В условиях сибирской зимы при температуре воздуха временами до -37 ˚С поставленный на постоянный...

...минимальный проток водопровод ни разу не перемерз, успешно обеспечивая водой санузлы. Несмотря на некоторую странность темы статьи, попробуем разобраться.

Для ответа на вопрос «Когда замерзает водопровод?» нет необходимости составлять очередной алгоритм и писать программу. В предыдущих публикациях на этом сайте в категории «Теплотехника» есть для этого все необходимые расчеты!

Пример. Расчет в Excel.

Условия задачи:

Проложенный по воздуху в неотапливаемом помещении участок стального водопровода без теплоизоляции длиной L=20 м выполнен из круглой трубы с наружным диаметром D=33,5 мм и с толщиной стенки s=2,8 мм. Температура окружающего воздуха (среды) tс=-10 °С. Скорость движения воздуха v=1 м/с. Температура воды на входе в трубопровод t1=+5 °С. Давление воды в трубопроводе P=0,1 МПа. Коэффициент температуропроводности воды а=0,000000143 м2/с. Температура замерзания воды t3=0 °С.

Требуется:

1. Найти время начала замерзания воды в трубе при отсутствии расхода.

2. Вычислить минимальный расход воды, при котором водопровод не замерзает.

Решение:

1. Для вычисления плотности, теплоемкости и теплопроводности воды воспользуемся программой из статьи «Теплофизические свойства воды». В исходные данные введем среднюю температуру воды из интересующего нас диапазона +5…0 °С.

Таблица Excel Теплофизические свойства воды -17



Время остывания воды (труба полностью заполнена) до критической температуры замерзания при отсутствии расхода рассчитаем по программе из статьи «Время охлаждения (нагрева)». Все исходные данные для этого у нас есть из условий задачи и предыдущего первого расчета.

Таблица Excel Время охлаждения -17

Первая часть задачи решена. Время охлаждения неподвижной воды в трубопроводе до 0 °С — около 21 минуты.

Обращаю внимание и напоминаю, что выполненный расчет носит оценочный характер! В частности, теплоемкость оболочки – стенки стальной трубы – этот расчет не учитывает.

Если бы скорость ветра в задаче была не 1 м/с, а, например, 10 м/с, то резко бы увеличился коэффициент теплоотдачи на границе «труба-воздух» α=45,6 Вт/(м2*К). И время до начала замерзания водопровода составило бы всего 4…5 минут! (В примечании к ячейке D3 программы приведены справочные данные, формулы и рекомендации по определению α.)

2. Минимальный теоретический расход воды, при котором водопровод не должен замерзать, рассчитаем с помощью программы из статьи «Расчет теплоотдачи трубы». Примем температуру воды на выходе из трубопровода t2=+1 °С. Это означает, что падение температуры воды на двадцати метрах не должно превысить |dtтрГГ|=4 °С.

Таблица Excel Расчет теплоотдачи трубы -17

Сравнительно небольшой проток 0,015 кг/с (или примерно 0,92 л/мин) воды с температурой t1=+5 °С на входе обеспечит мощность притока тепловой энергии PтрГГ=256,6 Вт, которой достаточно для поддержания системы в стационарном равновесном состоянии. При этом температура воды на выходе двадцатиметровой трубы будет равна t2=+1 °С.

Проверка:

Проверим выполненные расчеты по еще одной программе из статьи «Регистры отопления из труб».

Таблица Excel Теплоотдача регистра отопления -17

Рассчитанная мощность Q=262 Вт приближенно равна теплоотдаче из предыдущего третьего расчета PтрГГ=256,6 Вт, а вычисленный коэффициент теплоотдачи α=9,6 Вт/(м2*К) равен коэффициенту теплоотдачи из второго расчета, где его в исходных данных мы определили по скорости движения воздуха.

Ответ:

1. Замерзает водопровод при отсутствии движения воды уже через 21 минуту.

2. При расходе воды около 1 л/мин (при средней скорости движения воды ~ 25 мм/с) водопровод из условий задачи в спокойном воздухе с температурой -10 °С не должен замерзнуть никогда.

Заключение.

Конечно, в реальных условиях температуру воды +1 °С на выходе из трубопровода поддерживать нельзя. Желательно иметь запас подальше от точки кристаллизации с учетом возможных колебаний скорости и температуры, как воздуха, так и воды. Также необходимо учитывать наличие сужений и массивных теплоотводов-холодильников в виде опор трубопровода, корпусов и других деталей запорной арматуры.

Все четыре использованные в статье теплотехнические программы в Excel доступны на сайте для свободного скачивания.

Прошу уважающих труд автора  скачивать файлы с программами расчетов после подписки на анонсы статей!

P. S. (25.11.2019)

Проверил в программе Agros2D результаты расчетов, выполненных в статье.

Agros2D Время замерзания водопровода

Результат: при всех тех же исходных данных и коэффициенте теплоотдачи на наружной поверхности трубы α=9,6 Вт(м2*К) процесс замерзания воды в трубе при отсутствии движения начнется через ~23 минуты (1380 секунд).  Расчет в Agros2D выполнен без учета конвективного перемешивания воды в трубе, но с учетом теплоемкости стенки трубы, которая «добавила» к предыдущему результату пару минут.

Другие статьи автора блога

На главную


Введите Ваш e-mail:

Статьи с близкой тематикой

Отзывы

10 комментариев на «Когда замерзает водопровод?»

  1. Дмитрий 20 Авг 2019 03:38

    Класс!

  2. Аврелий 20 Авг 2019 10:08

    Очевидное невероятное!

  3. Алексей 20 Авг 2019 11:48

    Согласен на все сто! раньше оставляли маленькую струйку воды, чтоб водопровод не замерз...

    Но в условиях указано что водопровод закольцован, тогда температура воды на втором круге уже +1, а не +5...

    Делаю вывод, что важна некая скорость движения воды для выбора циркуляционного насоса...

    по физике у меня 2, так что не судите строго...

  4. Александр Воробьев 20 Авг 2019 12:11

    Где сказано, что закольцован?

    Круглая труба — это о сечении... :)

  5. Алексей 20 Авг 2019 12:40

    Действительно не закольцован, это мои домыслы... Видать, прикинул к своему водопроводу в баню... что ближе к практике... извиняюсь...

    Но насколько удивляюсь своим знакомым о простом решении незамерзающего водопровода, нет, все носят зимой ведрами...

  6. Александр 20 Авг 2019 13:19

    Есть ещё такой важный неучтённый эффект — нагрев воды от внутреннего трения и трения о стенки канала, по которому она течёт. Я специально не написал «трубы», но «канала». Каналом в данном случае может быть обледеневшая стенка трубы, сечение местно сужается, а скорость и тепловыделение там возрастает. Таким образом устанавливается некое динамическое равновесие — мороз пытается сузить проток до нуля, но по ходу он повышает тепловыделение. Главное, чтобы не слишком упало давление на входе и по ходу всех потерь в канале.

    И получается, что потребный минимальный поток воды существенно меньше расчитанного по этой методике.

    Хотя проверять на практике как-то неохота.

    Такую систему можно просчитать только МКЭ и то, нужно слишком много исходных данных точно иметь.

  7. Александр Воробьев 20 Авг 2019 13:38

    Александр, согласен с Вашими мыслями, но как-то дожидаться даже начала зарастания трубы льдом тоже нет желания.

    Есть еще один фактор, являющийся мощным ускорителем кристаллизации — взвесь мелких твердых частиц в воде, которые, образуя центры кристаллизации, способствуют лавинообразной почти мгновенной заморозке.

  8. EvilSpirit 03 Окт 2019 10:13

    А у меня от скважины идет труба под уклоном, когда выключаешь ее, вода просто уходит обратно в скважину. Ведрами носят только ленивые :)

  9. Vit0 10 Окт 2019 17:28

    Дай Вам Бог здоровья :)

  10. Сергей 02 Июн 2020 04:40

    Хорошая работа! сталкивался с подобной задачей лет 20 назад !

Ваш отзыв



  • Подписчики: 7,5 тыс.

  • Посетители: 1,5 млн