При какой температуре вода в трубах замерзает


Когда замерзает водопровод? Расчет в Excel.

Опубликовано 19 Авг 2019
Рубрика: Теплотехника | 10 комментариев

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.

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.

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.

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».

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.

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

Статьи с близкой тематикой

Отзывы

При какой температуре замерзает вода? | Наука

Название этого поста могло бы показаться подходящим вопросом для экзамена по естествознанию в начальной школе, но ответ намного сложнее, чем кажется на первый взгляд. Нас всех учили, что вода замерзает при 32 градусах по Фаренгейту, 0 градусам Цельсия, 273,15 Кельвина. Однако это не всегда так. Ученые обнаружили, что жидкая вода в облаках имеет температуру -40 градусов по Фаренгейту, а в лаборатории даже охлаждала воду до -42 градусов по Фаренгейту.Как низко они могли опуститься?

На этот вопрос сложно ответить. Когда жидкая вода охлаждается ниже -42 градусов по Фаренгейту, она слишком быстро кристаллизуется в лед, и ученые не могут измерить температуру жидкости. Эмили Мур и Валерия Молинеро из Университета штата Юта разработали сложное компьютерное моделирование 32 768 молекул воды (меньше молекул, чем можно найти в капле дождя), которое позволило им увидеть, что происходит с теплоемкостью, плотностью и сжимаемостью воды при ее переохлаждении и переохлаждении. определить, что произошло, когда 4 000 из этих молекул замерзли.Их результаты опубликованы в журнале Nature .

Когда температура воды приближается к -55 градусов по Фаренгейту, молекулы воды образуют тетраэдры, каждая из которых слабо связана с четырьмя другими молекулами. Уменьшается плотность воды, увеличивается ее теплоемкость и увеличивается сжимаемость. «Изменение структуры воды контролирует скорость образования льда», - говорит Молинеро. «Мы показываем, что как термодинамика воды, так и скорость кристаллизации контролируются изменением структуры жидкой воды, которая приближается к структуре льда.«При температуре ниже -55 градусов по Фаренгейту крошечные кусочки жидкой воды все еще могут существовать, но только в течение невероятно короткого времени», - говорит Молинеро.

Такое переохлаждение воды возможно, потому что воде требуется небольшое ядро ​​или зародыш льда, чтобы молекулы образовывали кристаллы, и в очень чистой воде «единственный способ сформировать ядро ​​- это спонтанно изменить структуру жидкости», - говорит Молинеро. . Эти ядра не сформируются и не станут достаточно большими, пока структура молекул жидкой воды не приблизится к структуре твердого льда, чего не произойдет, пока вода не станет настолько невероятно холодной.

( HT: io9 )

Понравилась статья?
ПОДПИШИТЕСЬ на нашу рассылку новостей

.

Предотвращение и оттаивание замерзших труб

Предотвращение и размораживание замерзших труб | Американский Красный Крест