Методическое пособие 821

УДК 662.99 : 004.42

ВАРИАНТ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ОПТИМИЗАЦИИ ТОЛЩИНЫ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО СЛОЯ В ТЕПЛОСНАБЖЕНИИ

Н. А. Петрикеева 1, Д. М. Чудинов 2, Е. А. Копытина 3, Л. П. Мышовская 4

Воронежский государственный технический университет 1, 2, 4 Россия, г. Воронеж

Воронежский государственный университет 3 Россия, г. Воронеж

1Канд. техн. наук, доц. кафедры теплогазоснабжения и нефтегазового дела,

тел.: (473) 271-53-21, e-mail: petrikeeva.nat@yandex.ru

2Канд. техн. наук, доц. кафедры теплогазоснабжения и нефтегазового дела,

тел.: (473) 271-53-21, e-mail: dmch_@mail.ru

3Аспирант кафедры информационных технологий управления,

тел.: +7-952-101-72-96, e-mail: zhemkaterina@yandex.ru

4Канд. техн. наук, доц. кафедры технологии, организации строительства, экспертизы и управления недвижимостью, тел.: (473) 271-32-45, e-mail: u00114@vgasu.vrn.ru

Постановка задачи. С увеличением толщины изоляции возрастают затраты на сооружение и эксплуатацию теплоизолированного трубопровода. Вместе с тем снижаются теплопотери, а значит, и годовая стоимость теряемой теплоты. Решение задачи сводится к минимизации функции затрат рабочего варианта.

Результаты. В работе определена оптимальная толщина тепловой изоляции водяной теплосети с учетом критерия минимального значения удельных приведенных затрат с использованием известного алгоритма. Так как задача оптимизации зависит от большого числа переменных, то ее целесообразно решать с использованием программного обеспечения.

Выводы. Предложен один из вариантов расчета оптимальной толщины тепловой изоляции на ЭВМ с помощью программы для работы с электронными таблицами Microsoft Excel, включающей язык макропрограммирования VBA. Полученные при работе с программой результаты могут быть использованы для дальнейших инженерных расчетов.

Ключевые слова: тепловая изоляция, поиск оптимального решения, тепловые сети, программное обеспечение, алгоритм, язык макропрограммирования.

Введение. При формировании вариантов развития топливно-энергетического комплекса страны на средне- и длительную перспективу для их сравнительной оценки в полном объеме стоит принимать во внимание возможность реализации различных стратегических угроз энергетической безопасности, а также вопросы надежности энергообеспечения, тем более в случаях возможных чрезвычайных ситуаций.

Под энергетической безопасностью понимается состояние защищенности людей и экономики страны от угроз надежному обеспечению их необходимыми дешевыми топливноэнергетическими ресурсами в текущем проекте и на перспективу [17].

В теплоснабжении с увеличением толщины изоляции возрастают затраты на сооружение и эксплуатацию теплоизолированного трубопровода. Вместе с тем снижаются теплопотери, а значит, и годовая стоимость теплоты [13, 14, 19]. При этом повышается энергетическая защищенность.

© Петрикеева Н. А., Чудинов Д. М., Копытина Е. А., Мышовская Л. П., 2018

21

Научный журнал строительства и архитектуры

В работах [2, 4, 8] мы рассматривали актуальность данной темы. При этом было показано, что решение задачи сводится к минимизации функции затрат рабочего варианта [1, 2, 10, 20]. Минимальному значению удельных приведенных затрат должна соответствовать оптимальная толщина изоляции, мм.

Так как задача оптимизации зависит от большого числа переменных, то ее целесообразно решать с использованием программного обеспечения. В ряде работ рассматривается решение с использованием элементов программирования и программного обеспечения [7, 9]. При этом можно выделить несколько решаемых алгоритмов. Рассмотрим один из них [3, 15].

1. Алгоритм оценки оптимальной толщины тепловой изоляции тепловых сетей.

Для нахождения конкретных технических решений в результате определения оптимальных толщин изоляции теплопроводов разработан ряд алгоритмов, различные программы расчета. Рассмотрим следующий алгоритм [3, 12].

Задача сводится к минимизации функции следующего вида:

где Ен — коэффициент эффективности капитальных вложений, 1/год; φ — доля годовых отчислений на эксплуатацию тепловой изоляции, 1/год; Киз — капитальные вложения в теплоизоляцию, руб.; Итп — стоимость теплопотерь, руб./год.

Решение задачи рассмотрим на известном примере двухтрубного подземного теплопровода при бесканальной прокладке [2, 16].

Капитальные вложения в тепловую изоляцию 1 погонного метра двухтрубного теплопровода определяется по формуле

где Сиз — фактическая удельная стоимость тепловой изоляции, руб./м3; Vиз — объем теплоизоляции, м3; d — наружный диаметр трубопровода, м; δиз — толщина теплоизоляции, м.

Годовая стоимость тепла, теряемого 1 погонным метром теплопровода, определяется по формуле

где qп, q0 — удельные потери тепла 1 погонного метра подающего и обратного трубопроводов тепловой сети, Вт/м; Ст — районные замыкающие затраты на тепловую энергию, руб./(Вт·ч); τ — годовая продолжительность эксплуатации тепловой сети, ч/год; β — коэффициент, учитывающий теплопотери через неизолированные участки трубопровода.

Удельные теплопотери трубопроводами находятся по формулам:

где tпср , tоср — среднегодовая температура теплоносителя в подающей и обратной магист-

рали, 0С; tгрср — средняя температура грунта на глубине заложения трубопроводов, при-

нимается по климатическим справочникам; Rп, R0 — термическое сопротивление подающего и обратного трубопроводов тепловой сети соответственно, (м·К)/Вт; Rинт — дополнительное термическое сопротивление, учитывающее тепловую интерференцию теплопроводов, (м·К)/Вт.

22

Выпуск № 2 (50), 2018 ISSN 2541-7592

Термические сопротивления трубопроводов определяются как:

где λиз, λгр — теплопроводность теплоизоляции и грунта соответственно, Вт/(м·К); h — глубина заложения трубопровода, м; s — шаг между трубами, м.

Подставляя вышеприведенные выражения в целевую функцию, получим

Задаваясь рядом значений δиз1, δиз2, … δизn, вычислим затраты З1, З2, …Зn.

Условию З = min соответствует оптимальная толщина тепловой изоляции из изopt [5,

10, 21].

2. Пример работы программы расчета. Минимальному значению удельных приведенных затрат должна соответствовать оптимальная толщина изоляции, мм. Выявим зону экономической целесообразности при определении толщин теплоизоляции конструкции в тепловых сетях систем теплоснабжения [22].

Так как задача оптимизации зависит от большого числа переменных, то ее целесообразно решать с использованием программного обеспечения. В настоящее время предложен целый ряд решений данного вопроса с использованием программного обеспечения [6, 12].

Так, например, расчетная программа K-PROJECT—2.0 создана для проектирования инженерных систем разнообразного назначения с применением в конструкции технической изоляции. Для ряда вопросов можно использовать программу расчета теплоизоляции Armaflex для MS Windows. Широкую известность приобрел программный продукт «Изоляция», который фактически стал российским стандартом для проектирования тепловой изоляции. При должной настройке этот мощный и невероятно гибкий инструмент сводит процесс проектирования теплоизоляционной конструкции к заданию исходных данных по изолируемым объектам и в буквальном смысле к нажатию единственной кнопки. Ряд работ посвящен новым инструментам и функциям этих разработок [6, 15, 23].

Для крупных проектных организаций все это достаточно актуально, но небольшие организации и отдельные специалисты не всегда могут воспользоваться данными программами по ряду причин. Проанализировав имеющееся доступное широкому кругу пользователей программное обеспечение и наличие элементов программирования, актуальным представляется использование широко известного и доступного продукта — Microsoft Excel.

Excel предоставляет возможности экономико-статистических расчетов, графические инструменты и язык макропрограммирования VBA (Visual Basic for Application). Ценной возможностью Excel является возможность писать код на основе Visual Basic для приложений. Преимущества программы достаточно известны, но незаслуженно недооценены. Этот код пишется с использованием отдельного от таблиц редактора и является достаточно актуальным на сегодняшний день [8, 25].

Управление электронной таблицей осуществляется посредством объектноориентированной модели кода и данных. С помощью этого кода данные входных таблиц будут мгновенно обрабатываться и отображаться в таблицах и на диаграммах (графиках). Таблица становится интерфейсом кода, позволяя легко работать с ним, изменять, управлять расчетами. Microsoft Excel входит в состав Microsoft Office и на сегодняшний день является одним из наиболее популярных приложений в мире.

23

Научный журнал строительства и архитектуры

Приведем пример работы программы, разработанной для известных исходных данных. Определим оптимальную толщину тепловой изоляции двухтрубного теплопровода водяной теплосети при следующих исходных данных [1, 2, 24]:

1)тип прокладки трубопровода — бесканальный;

2)тип тепловой изоляции — битумоперлит;

3)наружный диаметр трубопровода: dн = 0,219 м;

4)глубина заложения трубопровода: h 0,7 из d /2, м;

5)шаг между трубами: S 0,2 2 из d , м;

6)коэффициент теплопроводности изоляции: λиз = 0,12 Вт/(м·К);

7)коэффициент теплопроводности грунта: λгр = 1,7 Вт/(м·К);

8)среднегодовая температура грунта: tгрср = 5 0С;

9)среднегодовая температура теплоносителя: tпср = 90, tоср = 50 0С;

10)годовое число часов работы тепловой сети: τ = 6000 ч/год;

11)удельная стоимость тепловой изоляции: Сиз = 1330 руб./м3;

12)удельная стоимость тепловой энергии: СТ = 348·10−6 руб./(Вт·ч);

13)доля годовых отчислений на эксплуатацию теплоизоляции: φ = 0,093 1/год;

14)коэффициент эффективности капвложений: Е = 0,12 1/год.

Исходные данные заносятся в колонку «Значение» (рис. 1). Вид, который принимают формулы в табличном редакторе Microsoft Excel, представлен на рис. 2.

Рис. 1. Таблица задания исходных данных

После ввода исходных данных происходит расчет по формулам, указанным выше, всех необходимых значений для определения оптимальной толщины теплоизоляции.

Для расчета непосредственно самой оптимальной толщины теплоизоляции используется метод обобщенного градиента. Основная идея этого метода состоит в том, чтобы сократить размерность задачи путем исключения зависимых (базисных) переменных и применить

24

метод приведенного градиента для определения направления спуска и в качестве критерия при установлении оптимальности [11, 18].

Рис. 2. Вид расчетных формул в табличном редакторе Microsoft Excel

Величина шага аk выбирается из условия минимума функции f(x) в направлении спуска, то есть

f xk ak f xk mina 0 f xk af xk .

Это условие означает, что движение вдоль антиградиента происходит до тех пор, пока значение функции f(x) убывает.

С математической точки зрения на каждой итерации необходимо решать задачу одномерной минимизации по а функции

f xk ak f xk f a .

Градиентные методы сходятся к минимуму с высокой скоростью (со скоростью геометрической прогрессии) для гладких выпуклых функций. Однако на практике минимизируемые функции часто имеют плохо обусловленные матрицы вторых производных (матрицы Гессе) [11]. Значения таких функций вдоль некоторых направлений изменяются гораздо быстрее (иногда на несколько порядков), чем в других направлениях. Их поверхности уровня в простейшем случае сильно вытягиваются, а сами такие функции называют овражными. Направление антиградиента этих функций может существенно отклоняется от направления в точку минимума, что приводит к замедлению скорости сходимости.

Скорость сходимости градиентных методов существенно зависит также от точности вычислений градиента. Потеря точности, а это обычно происходит в окрестности точек минимума или в овражной ситуации, может вообще нарушить сходимость процесса градиентного спуска. Вследствие перечисленных причин градиентные методы зачастую используются в комбинации с другими, более эффективными методами на начальной стадии решения задачи. В этом случае точка х [0] находится далеко от точки минимума, и шаги в направлении антиградиента позволяют достичь существенного убывания функции [11, 18].

При нажатии на кнопку «Рассчитать» происходит расчет толщины тепловой изоляции и капитальных вложений в теплоизоляцию (рис. 3).

25

Научный журнал строительства и архитектуры

Процедура обработки щелчка по кнопке «Рассчитать», написанная на языке VBA, описана ниже:

Private Sub btnSolve_Click() SolverReset

SolverOK SetCell:=Range ("D31"), MaxMinVal:=2, ByChange:=Range ("D20"), Engine:=1 SolverSolve True

End Sub

В результате определения оптимальной толщины тепловой изоляции двухтрубного теплопровода водяной теплосети установлено, что минимальному значению удельных приведенных затрат Зmin = 273,51 руб./(год·м) соответствует оптимальная толщина изоляции

δиз = 122 мм (рис. 3).

Рис. 3. Результат расчета толщины тепловой изоляции

Выводы

1.В работе определена оптимальная толщина тепловой изоляции водяной теплосети с учетом критерия минимального значения удельных приведенных затрат с использованием известного алгоритма. Так как задача оптимизации зависит от большого числа переменных, то ее целесообразно решать с использованием программного обеспечения.

2.Предложен расчет подобных задач на ЭВМ с помощью программы для работы с электронными таблицами Microsoft Excel, которая предоставляет возможности экономи- ко-статистических расчетов, графические инструменты и язык макропрограммирования VBA. Ценной возможностью Excel является возможность писать код на основе Visual Basic для приложений. Этот код пишется с использованием отдельного от таблиц редактора, таблица становится интерфейсом кода, позволяя легко работать с ним, изменять и управлять расчетами.

3.Полученные при работе с программой результаты могут быть использованы для дальнейших инженерных расчетов.

26

Библиографический список

1.Бирюзова, Е. А Повышение энергоэффективности тепловой сети за счет применения оптимального вида тепловой изоляции / Е. А. Бирюзова, Л. С. Ломакина // Строительство и архитектура. — 2010. — № 5. — С. 10—19.

2.Гладышева, Т. Ю. Основные направления реконструкции инженерных систем зданий и сооружений/ Т. Ю. Гладышева, Н. А. Петрикеева // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. — 2016. —

№2 (23). — С. 14—21.

3.Земенков, Ю. Д. Методика определения оптимальной толщины изоляции наземных трубопроводов /

Ю. Д. Земенков, Б. В. Моисеев, С. М. Дудин, Н. В. Налобин // Территория Нефтегаз. — 2014. — № 3. — С. 79—83.

4.Касаткина, С. М. Оптимизация тепловых потерь в трубопроводах тепловых сетей / С. М. Касаткина, Ю. В. Ларина, С. М. Кулагин, В. В. Клюквин // Молодые ученые — развитию текстильно-промышленного кластера. — 2016. — № 1. — С. 495—497.

5.Корнев, С. А. Применение оптимального материала теплоизоляции для повышения энергоэффективности тепловой сети // Молодой ученый. — 2015. — № 24. — С. 145—146.

6.Кузнецова, Т. «Изоляция»: новые возможности уникальной программы / Т. Кузнецова, С. Лисин, Л. Корельштейн // CADMASTER. Проектирование промышленных объектов. — 2012. — № 3. — С. 82—88.

7.Петрикеева, Н. А. Задача технико-экономической оптимизации при определении толщины теплоизоляционного слоя теплосетей / Н. А. Петрикеева, А. В. Черемисин, А. В. Копытин // Научный журнал строительства и архитектуры. — 2016. — № 1 (41). — С. 21—28.

8.Петрикеева, Н. А. Оптимизация систем теплоснабжения зданий с использованием возобновляемых источников энергии/ Н. А. Петрикеева, Л. В. Березкина // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. — 2010. — № 2. — С. 128—132.

9.Петрикеева, Н. А. Оптимизация стоимостной целевой функции при определении толщины изоляции в системах теплоснабжения / Н. А. Петрикеева, А. В. Копытин, Н. О. Попов // Градостроительство. Инфраструктура. Коммуникации. — 2016. — № 2 (3). — С. 26—33.

10.Петрикеева, Н. А. Пути снижения энергопотребления зданиями / Н. А Петрикеева, А. Н. Садовни-

ков, А. В. Никулин // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. — 2012. — № 1. — С. 13—17.

11.Покорный, Ю. В. Об особенностях упругих одномерных задач / Ю. В. Покорный, С. А. Шабров, А. В. Копытин // Современные методы в теории краевых задач: тезисы докладов / Воронежский государственный университет. — Воронеж, 1997. — С. 184.

12.Попов Н. О. Определение оптимальной толщины теплоизоляционного слоя трубопроводов систем теплоснабжения / Н. О. Попов, Н. А. Петрикеева, А. В. Копытин // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. — 2015. — № 1 (18). — С. 15—22.

13.Семенов, В. Н. Влияние энергосберегающих технологий на развитие тепловых сетей / В. Н. Семенов, Э. В. Сазонов, Д. Н. Китаев [и др.] // Известия вузов. Строительство. — 2013. — № 8 (656). — С. 78—83.

14.Смородова, О. В. Технико-экономическое обоснование толщины тепловой изоляции тепловых сетей // О. В. Смородова, А. С. Скрипченко// Инновационная наука. — 2016. — № 4—3. — С. 151—154.

15.Шойхет, Б. М. Правила расчета и проектирования тепловой изоляции оборудования и трубопроводов / Б. М. Шойхет // Энергосбережение. — 2013. — № 2. — С. 44—51.

16.Шойхет, Б. М. Проектирование тепловой изоляции трубопроводов тепловых сетей / Б. М. Шойхет // Энергосбережение. — 2015. — № 1. — С. 50—57.

17.Основные положения Энергетической стратегии России на период до 2020 года [Одобрены Правительством Российской Федерации (протокол № 39 от 23 ноября 2000 г.)]. — М.: ГУ ИЭС, 2001. — 120 с.

18.Matveev, M. G. Modeling of Nonstationary Distributed Processes on the Basis of Multidimensional Time Series / M. G. Matveev, A. V. Kopytin, E. A. Sirota, E. A. Kopytina // 3rd International Conference «Information Technology and Nanotechnology», ITNT—2017. — 2017. — Р. 511—516.

19.Ponomarev, S. V. Optimization of Measurements of the Thermophysical Properties of Thermally Insulating Materials / S. V. Ponomarev, V. O. Bulanova, A. G. Divin, E. V. Bulanov // Measurement Techniques. — 2016. —

№12. — Р. 1360—1366.

20. Nenarokomov, A. V. Optimal Design of Multi-Layer Thermal Protection of Variable Thickness / A. V. Nenarokomov, M. О. Salosina, O. M. Alifanov // International Journal of Numerical Methods for Heat and Fluid Flow. — 2017. — № 5 (27). — Р. 88—100.

27

Научный журнал строительства и архитектуры

23.Liu, S. Y. Determination of Thermal Conduction Coefficient of Refractory and Thermal Insulation Materials / S. Y. Liu, Y. X. Yu, Z. X. Qiu // Dongbei Daxue Xuebao (Ziran Kexue Ban). — 2006. — № 2. — Р. 196—198.

24.Zuboreva, M. V. Solution of Modern Problems of Research of Quality of Thermal Insulation Materials / M. V. Zuboreva, N. K. Kitaeva, D. A. Skobeev, A. V. Sobolev // Ecology, Environment and Conservation. — 2017. — № 2. — Р. 1162—1168.

25.Jelle, B. The Path to the High Performance Thermal Building Insulation Materials and Solutions of Tomorrow / B. Jelle, A. Gustavsen, R. Baetens // Journal of Building Physics. — 2010. — № 2. — Р. 99—123.

VERSION OF THE SOLUTION

OF THE PROBLEM OF OPTIMIZATION OF THICKNESS

OF THE HEAT-INSULATION LAYER IN HEAT SUPPLY

N. A. Petrikeeva 1, D. M. Chudinov 2, Ye. A. Kopytina 3, L. P. Myshovskaya 4

Voronezh State Technical University 1, 2, 4

Russia, Voronezh

Voronezh State University 3

Russia, Voronezh

1PhD in Engineering, Assoc. Prof. of the Dept. of Heat and Gas Supply and Oil and Gas Business, tel: (473)271-53-21, e-mail: petrikeeva.nat@yandex.ru

2PhD in Engineering, Assoc. Prof. of the Dept. of Heat and Gas Supply and Oil and Gas Business, tel: (473)271-53-21, e-mail: dmch_@mail.ru

3PhD student of Dept. of Information Technologies of Management, tel: +7-952-101-72-96,

e-mail: zhemkaterina@yandex.ru

4 PhD in Engineering, Assoc. Prof. of the Dept. of Technology, Organization of Construction, Property Inspection and Management, tel.: (473) 271-32-45, e-mail: u00114@vgasu.vrn.ru

Statement of the problem. With an increase in the thickness of isolation costs of a construction and operation of the heat-insulated pipeline increase as well. At the same time heat losses, and thus annual costs of the lost warmth decrease. The solution of a task comes down to the minimization of the function of expenses of a working option.

Results. In the paper the optimum thickness of thermal isolation of a water heating system taking into account the criterion of the minimum value of the specific given expenses with use of the known algorithm is determined. As the problem of optimization depends on a large number of variables, it is expedient to solve it using software.

Conclusions. One of the options for calculating the optimum thickness of thermal isolation on the computer by means of the program for the work with the spreadsheets Microsoft Excel including VBA macroprogramming language is offered. The results received during the work with the program can be used for further engineering calculations.

Keywords: thermal isolation, search of an optimal solution, thermal networks, software, algorithm, macroprogramming language.

НА САЙТЕ РФФИОПУБЛИКОВАНЫ ИТОГИ РЕГИОНАЛЬНЫХ КОНКУРСОВ:

Итоги конкурса проектов 2018 года фундаментальных научных исследований, проводимого РФФИ совместно с субъектами Российской Федерации;

Итоги конкурса проектов 2018 года фундаментальных научных исследований, выполняемых молодыми учеными, проводимого РФФИ совместно с субъектами РФ;

Итоги конкурса проектов 2018 года организации российских и международных научных мероприятий, проводимого РФФИ и субъектами Российской Федерации.

Подробнее на официальном сайте РФФИ: http://www.rfbr.ru.

28

ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ

УДК 628.2

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОФОБНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ТРАНСПОРТИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ,

ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ БЕСТРАНШЕЙНОЙ РЕНОВАЦИИ ТРУБОПРОВОДА

В. А. Орлов 1, В. И. Щербаков 2, И. С. Дежина 3

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет 1, 3 Россия, г. Москва

Воронежский государственный технический университет 2 Россия, г. Воронеж

1Канд. техн. наук, проф., зав. кафедрой водоснабжения и водоотведения,

тел.: (499) 183-36-29, e-mail: orlov950@yandex.ru

2Д-р техн. наук, проф. кафедры гидравлики, водоснабжения и водоотведения,

тел.: +7-980-345-99-00, e-mail: scher@vgasu.vrn.ru

3Аспирант кафедры водоснабжения и водоотведения, тел.: (499) 183-36-29, e-mail: dejina07@mail.ru

Постановка задачи. Одним из актуальных аспектов применения бестраншейных методов реновации ветхих трубопроводов путем нанесения внутренних защитных покрытий является поиск таких ремонтных материалов, которые содействуют достижению значимого эффекта. В случае реконструкции напорных трубопроводов возможно достижение эффекта энергосбережения за счет малого коэффициента гидравлического трения защитных покрытий, а безнапорных сетей за счет повышения транспортирующей способности потока путем создания определенной текстуры внутренней поверхности трубы.

Результаты. Представлены результаты проведенных исследований по изучению гидрофобных характеристик защитных покрытий и анализу эффективности транспортирующей способности структурированных поверхностей трубопроводов в различных вариантах их исполнения при движении потока воды по наклонной поверхности в виде открытого желоба, имитирующего безнапорный трубопровод.

Выводы. Представлены и описаны конструкции опытных стендов и алгоритмы методик по исследованию гидрофобности защитных покрытий и транспортирующей способности при соответствующей им текстуре искусственной шероховатости.

Ключевые слова: трубопроводы, реновация, бестраншейные технологии, защитные покрытия, гидрофобность, транспортирующая способность.

Введение. Проведение ремонтно-восстановительных работ на ветхих трубопроводах транспорта жидкостей в системах водоснабжения и водоотведения сопровождается использованием широкого спектра оперативных бестраншейных методов. В основе этих методов лежит использование внутренних защитных покрытий (облицовок, рукавов, рубашек) в виде новых труб меньшего диаметра из различных материалов, тонкостенных полимерных рукавов или набрызгиваемых покрытий органического или минерального происхождения [7, 19]. Широко используются также различного рода композитные материалы, способные являться

© Орлов В. А., Щербаков В. И., Дежина И. С., 2018

29

Научный журнал строительства и архитектуры

эффективным средством для локализации дефектов трубопроводов систем водоснабжения, водоотведения и газоснабжения в виде трещин, свищей, расхождения в стыках и т. д. [14, 21]. Постоянно развивающаяся практика использования бестраншейных технологий реновации напорных трубопроводных коммуникаций предлагает ряд эффективных методов, обеспечивающих достижение эффекта энергосбережения, тесно связанного с гидравлическими характеристиками труб.

Список публикаций по данной тематике весьма обширен, однако ряд вопросов, в частности влияние гидрофобности на гидравлические характеристики и поиск оптимальной текстуры защитных покрытий при различных режимах течения жидкости (турбулентном и ламинарном) и структуре шероховатости, остаются недостаточно исследованными [15, 22].

Нерешенным на сегодняшний день вопросом для исследователей и проектировщиков является также правильный выбор типа защитной облицовки [16]. Для качественного выполнения проектных разработок в данной области ставятся задачи обязательного характера, заключающиеся в определении гидравлических характеристик труб и защитных покрытий из новых материалов. Также на повестке дня стоят проблемы выявления оптимальной структуры внутренней поверхности с использованием новых подходов, в частности разработки экономичных технических решений и их материализации в виде специальных установок и экспериментальных стендов [5, 6]. Таким образом, можно констатировать, что комплексные исследования характеристик различного типа защитных покрытий являются на настоящий момент времени актуальным.

Цель проведенных исследований состояла в изучении на специальных стендах в динамических условиях влияния гидрофобности различных защитных покрытий на эффективность работы трубопроводов транспорта жидкости с разработкой методики и автоматизированной программы расчета степени гидрофобности и гидравлических показателей защитных покрытий; проведении теоретических и поисковых экспериментальных исследований явления микротурбулентности в потоке жидкости при обтекании точечных и линейно вытянутых равно- и разновеликих препятствий при различной их конфигурации.

1. Методы и аппаратура для исследования гидрофобности защитных покрытий.

Особняком в области транспорта природных и сточных вод, а точнее в исследованиях физи- ко-химических свойств внутренних стенок трубопроводов (защитных покрытий) систем водоснабжения и водоотведения стоят такие показатели, как гидрофобность / гидрофильность используемых строительных материалов. Подобного типа исследовательские работы в основном проводились для тонких (мини) каналов с исследованием ультрагидрофобных поверхностей [18].

С понятием гидрофобности рабочих поверхностей, контактирующих с жидкими средами, приходится сталкиваться в различных областях техники [17]. Не должны являться исключением трубы и их защитные покрытия, где возникает необходимость снижения гидравлических сопротивлений при транспортировке воды (например, в целях достижения эффекта энергосбережения) [20]. Определенный интерес вызывают исследования структуры потока жидкости вблизи гидрофобных поверхностей, и в особенности в пристеночной зоне [14]. Отсюда основной целью проводимых научных исследований явилось изучение контакта жидкости с различными рабочими поверхностями и определение влияния топологии (шероховатости) поверхностей труб на динамику течения жидкости, чему ранее не уделялось достаточного внимания в научной среде, когда речь шла о трубопроводах транспорта природных и сточных вод [4, 13].

В НИУ МГСУ была разработана конструкция компактного испытательного стенда в виде открытого лотка для определения степени гидрофобности материалов защитных покрытий [2]. Динамические исследования проводились на специальном стенде с длиной желоба 1 м, упрощенная схема которого представлена на рис. 1.

30