УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ТРУБОПРОВОДА В ГРУНТЕ ОТ ПРОМЕРЗАНИЯ Российский патент 2023 года по МПК F17D5/00 E03B7/12 

Изобретение относится к области строительства, проектирования и эксплуатации систем водоснабжения и водоотведения [F17D 5/00, F17D 5/06, E03F 7/00, G01B 21/00, G01B 21/18].

В районах с глубоким сезонным промерзанием грунтов почти все подземные коммуникации значительную часть года находятся в мерзлых грунтах. Актуальной задачей является предохранение жидкости от замерзания и сохранение целостности трубопровода. Как правило, канализационные сети прокладываются самотечными, то есть по ходу движения их глубина все время возрастает, поэтому для снижения стоимости работ чрезвычайно важно уменьшить до предела начальную глубину заложения. Таким образом, основная задача проектирования канализационной сети заключается в назначении минимальной глубины заложения ее начального участка с учетом надежного предохранения от замерзания в зимний период. Следовательно, для предварительного исследования прокладки трубопровода в мерзлом грунте нужны экспериментальные установки для определения размеров талой зоны вокруг трубопровода, уложенного в мерзлом грунте.

Из уровня техники известен МНОГОСЕКЦИОННЫЙ ТРУБЧАТЫЙ ДАТЧИК МЕРЗЛОГО ГРУНТА И СИСТЕМА ОБНАРУЖЕНИЯ МЕРЗЛОГО ГРУНТА [CN 103901182 А, опубл.: 29.04.2014 г.], который содержит несколько односекционных трубчатых датчиков мерзлого грунта, а также содержит крышку датчика, интерфейс, соединительные элементы и штекер, при этом каждый односекционный трубчатый датчик мерзлого грунта содержит плату управления схемой. Система обнаружения мерзлого грунта состоит из многосекционного трубчатого датчика мерзлого грунта, контроллера, фонового персонального компьютера (ПК) и базы данных. Согласно многосекционному трубчатому датчику мерзлого грунта и системе обнаружения мерзлого грунта, температура, влажность и другие данные мерзлого грунта эффективно обнаруживаются.

Недостатком аналога является обеспечение только мониторинга температуры мерзлого грунта.

Известна СИСТЕМА КОНТРОЛЯ СБРОСА СТОЧНЫХ ВОД [CN 203759504 U, опубл.: 03.01.2014 г.], состоящая из насоса-дозатора, пробоотборника, датчика температуры, датчика уровня жидкости, контроллера, датчика расхода, оптического преобразователя и приемник, камеры, беспроводной излучающей антенны, всенаправленной антенны и платформы автоматизированного мониторинга. Сброс сточных вод предприятия можно контролировать в режиме реального времени.

Недостатком аналога является неприменимость системы для мониторинга температуры вокруг канализационного трубопровода в мерзлом грунте.

Наиболее близким по технической сущности является «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОТТАИВАНИЯ ГРУНТА ВОКРУГ КАНАЛИЗАЦИОННЫХ ТРУБОПРОВОДОВ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ В ЗИМНЕЕ ВРЕМЯ» [Терехов Л.Д., Майны Ш.Б., Черников Н.А. Экспериментальное исследование оттаивания грунта вокруг канализационных трубопроводов мелкого заложения в зимнее время // Вода и экология: проблемы и решения. - 2019. - №. 4 (80). - С. 71-78.], имеющий схему экспериментальной установки: блок мерзлого грунта, трубопровод, бак, насос, подающий шланг, отводящий шланг.

Основными техническими проблемами прототипа является сложность в реальных условиях фиксирования изменений температуры мерзлого грунта.

Задача изобретения является устранение недостатком прототипа.

Технический результат заключается в обеспечении возможности создания надежного устройства для определения температуры грунта вокруг трубопровода с возможностью автоматического управления системой водоснабжения.

Устройство защиты трубопровода в грунте от промерзания, содержащее трубопровод, вокруг которого находится область талого грунта, к трубопроводу прилегает смотровой колодец, системы водоснабжения и производительности насоса, отличающаяся тем, что вдоль трубопровода смонтированы температурные датчики, погруженные в окружающий трубопровод грунт, на глубину, допустимую промерзанию, температурные датчики соединены с контроллером, который соединен с управляющим системой водоснабжения контроллером, выполненным с возможностью изменения давления воды в трубопроводе или ее температуры при достижении критических значений температуры грунта вокруг трубопровода, способствующей его промерзанию.

Краткое описание чертежей.

На фиг. 1 показан общий вид отрезка проложенного трубопровода в мерзлом грунте с область талого грунта.

На фиг. 2 показана последовательность управления устройством защиты трубопровода в грунте от промерзания.

На фиг. 3 показан программируемый алгоритм в управляющем контроллере.

На фигурах обозначено: 1 - трубопровод, 2 - область талого грунта, 3 - смотровой колодец, 4 - система водоснабжения, 5 - насос, 6 - стержневые температурные датчики, 7 - контроллер, 8 - управляющий контроллер, 9 - терминал.

Осуществление изобретения.

Сущность технического решения состоит в обеспечении защиты от промерзания трубопровода 1 с проходящей по нему жидкости, например, трубопровода 1 систем горячего и холодного водоснабжения в холодное время года и предотвращений аварийных ситуаций.

Устройство защиты трубопровода в грунте от промерзания содержит ортогонально смонтированные на поверхности трубопровода 1, проложенного в области талого грунте 2, подверженному промерзанию, стержневые температурные датчики 6, при этом размер упомянутых стержневых температурных датчиков 6, преимущественно их длина и монтаж их осуществлен таким образом, что упомянутые стержневые датчики 6 обеспечивают измерение температуры области талого грунта 2 вблизи трубопровода 1 на расстоянии, минимально допустимом для промерзания области талого грунта 2 вокруг трубопровода 1, исключающим промерзание трубопровода 1 с протекающей по нему жидкостью.

Температурные датчики 6 подключены контроллеру 7, смонтированному в смотровом колодце 3. В одном из вариантов реализации стержневые температурные датчики 6 снабжены первичными аналого-цифровыми преобразователями. Контроллер 7 выполнен с возможностью адресации и идентификации каждого из упомянутых датчиков 6 и их месторасположения.

Контроллер 7 с помощью модуля связи подключен к управляющему контроллеру 8. Управляющий контроллер 8 выполнен с возможностью сбора данных от стержневых температурных датчиков 6 и управления системами водоснабжения 4 с помощью изменения производительности насоса 5, обеспечивающего подачу воды в трубопровод 1 под давлением или подачи управляющего сигнала на контроллеры котлов нагрева воды системы горячего водоснабжения (на фигурах не показан).

Управляющий контроллер 8 выполнен в виде программируемого контроллера, который имеет встроенный алгоритм, показанный на фиг. 3. В алгоритм (фиг. 3) прописываются исходные данные в виде предельных значений минимальной температуры области талого грунта 2 (t_i,_min) и максимального давления воды (P_max), подаваемой с помощью насоса 5 в трубопровод 1. Ограничения вводятся для того, чтобы предотвратить аварийные ситуации, в случае, если трубопровод 1 с большим сроком эксплуатации и увеличение давления воды в нем, равно как и температуры подачи воды может привести к нарушению целостности трубопровода 1. Управляющий контроллер 8 может иметь цифро-аналоговый преобразователь сигналов для управления системами водоснабжения 4 и производительности насоса 5. Данные из управляющего контроллера 8 по каналам связи поступают в терминал 9, который может быть выполнен в виде ПЭВМ, мобильного устройства и т.п., с возможностью формирования отчета.

Устройство защиты трубопровода в грунте от промерзания используют следующим образом.

На фиг. 2 показана последовательность управления устройством защиты трубопровода 1 в грунте от промерзания.

Погруженные в грунт стержневые температурные датчики 4 регистрируют температуру на границе области талого грунта 2 и передают зарегистрированную информацию в контроллер 7.

От контроллера 7 информацию, полученную от стержневых температурных датчиков 6 передают в управляющий контроллер 8. Управляющий контроллер 8 с помощью алгоритма (см. фиг. 3) осуществляет сравнение полученных данных с установленными значениями минимальной температуры области грунта 2 (t_i,_min) и при снижении температуры грунта 2 ниже минимального значения (t_i._min) управляющий контроллер 9 передает сигнал для увеличения температуры подачи воды трубопровод 1 или увеличения давления воды с помощью насоса 5.

Таким образом, осуществляется постоянный мониторинг состояния трубопровода 1 в части касающейся его промерзания и в случае угрозы уменьшения области талого грунта 2 вокруг трубопровода 1 осуществляется автоматическое изменение параметров жидкости, протекаемой в трубопроводе 1, и тем самым предотвращается промерзание трубопровода 1. Пользователь осуществляет проверку системы с помощью терминала 9. Отчет, предоставляемый пользователю, может содержать данные за запрашиваемый период времени эксплуатации.

Автором заявки на изобретение в 2019 году был изготовлен образец экспериментальной установки (описанный как прототип [Терехов Л.Д., Майны Ш.Б., Черников Н.А. Экспериментальное исследование оттаивания грунта вокруг канализационных трубопроводов мелкого заложения в зимнее время // Вода и экология: проблемы и решения. - 2019. - №. 4 (80). - С. 71-78.]) для выполнения сравнительного анализа размеров области талого грунта 2 при разных температурах прогретой воды (+40, +20, +1°С) для определения уровня заложения трубопровода 1.

В 2022 году автором изобретения проведены экспериментальные исследования в реальных условиях, в соответствии с приведенным описанием. Результаты замеров в районе г. Кызыл в зимний период температур сточных вод (СК) и подвале дома (ПД), приведены в таблице 1.

Проведенные исследования температурного режима канализационного выпуска, уложенного в слое мерзлого грунта, с глубиной заложения 1,9 м показали, что в точке исследуемого участка температура сточных вод в течение суток имеет положительную температуру в пределах от +8,1 - и -22,3°С, что говорит о достаточном тепловом запасе от перемерзания трубопровода 1.

Таким образом, проведенные эксперименты доказали достижение заявленного технического результата - обеспечение возможности создания надежного устройства для определения температуры грунта вокруг трубопровода с возможностью автоматического управления системой водоснабжения.

Изобретение относится к области строительства, проектирования и эксплуатации систем водоснабжения и водоотведения. Технический результат - обеспечение возможности создания простой и надежной установки для определения размеров талой зоны вокруг трубопровода с возможностью своевременного принятия мер по недопущению промерзания трубопровода. Предложено устройство защиты трубопровода в грунте от промерзания, которое содержит трубопровод 1, вокруг которого находится область талого грунта 2, к трубопроводу 1 прилегает смотровой колодец 3, системы водоснабжения и производительности насоса. Вдоль трубопровода 1 смонтированы температурные датчики 6, погруженные в окружающий трубопровод грунт на глубину, допустимую промерзанию, температурные датчики 6 соединены с контроллером 7, который соединен с управляющим системой водоснабжения контроллером 8, выполненным с возможностью изменения давления воды в трубопроводе или ее температуры при достижении критических значений температуры грунта вокруг трубопровода 1, способствующей его промерзанию. 3 ил.

Устройство защиты трубопровода в грунте от промерзания, содержащее трубопровод, вокруг которого находится область талого грунта, к трубопроводу прилегает смотровой колодец, системы водоснабжения и производительности насоса, отличающееся тем, что вдоль трубопровода смонтированы температурные датчики, погруженные в окружающий трубопровод грунт на глубину, допустимую промерзанию, температурные датчики соединены с контроллером, который соединен с управляющим системой водоснабжения контроллером, выполненным с возможностью изменения давления воды в трубопроводе или ее температуры при достижении критических значений температуры грунта вокруг трубопровода, способствующей его промерзанию.