д.т.н., профессор Киялбаев А.К.

Казахская автомобильно-дорожная академия им. Л.Б.Гончарова

Об изменениях теплообменного процесса в дорожных конструкциях

Рост площадей с твердым покрытием в городах привел к тому, что они стали заметно влиять на атмосферные явления. Значительная плотность городских поселений и производственных объектов, увеличение площади транспортных магистралей и потока движения транспортных средств (особенно легковых) повлекли за собой появление в черте города обширного теплового пояса.

Механизм передачи тепла от конструктивных слоев дорожной одежды обусловлен движением микроструктурных элементов тела и зависит от физических свойств среды. В воздушной среде перенос энергии осуществляется за счет хаотичного молекулярного движения, диффузии молекул, интенсивность которой пропорциональна температуре, а также путем перемещения в пространстве неравномерно нагретых объемов среды /1,3/. При этом главным источником тепла, передаваемого в конструктивные слои дорожной одежды является солнечная энергия и выхлопные газы от движущихся транспортных средств. Причем с увеличением скорости движения повышается активность кинетической энергии в атомах воздуха, что приводит к изменению теплового баланса в городской среде. Кроме этого необходимо обратить внимание на то, что условия городов отличаются от условий за чертой города. Городские территории представляют собой сплошные покрытия асфальтобетонных дорог, площадей и кровель зданий, в то время как за пределами города нет теплоемких материалов, которые воспринимают много тепла и постепенно выделяют его в окружающую среду, что и приводит к разности температур в черте города и за ее пределами /2/.

Анализ микроклимата внутри городов Алматы, Усть-Каменогорска и Кызылорда и за их пределами (таблица 1) показал, что разность температур воздуха внутри города и за ее чертой в летнее время составляет +4¸+7^оС, а в зимнее - -3¸-6^оС.

Теоретические предпосылки. Рассмотрим перенос тепла от поверхности дорожных покрытий. В воздухе процесс переноса тепла осуществляется за счет перемещения молекул воздуха и микрочастиц газа (отработавшие газы из выхлопных труб транспортных средств). Такой процесс, образующийся на перекрестках улично-дорожной сети (УДС) городов называется конвекционным переносом тепла в газах.

Таблица 1. Микроклимат улично-дорожной сети городов Алматы, Усть-Каменогорск и Кызылорда

Город (температура воздуха за чертой города)	Пересечение улиц	Температура воздуха/ Разность температур
		Летом, + ^оС	Зимой, - ^оС
Алматы летом +35^оС зимой -8 ^оС	Абая – Достык	42/+7	-4/-4
	Абая – Фурманова	41/+6	-4/-4
	Абая – Мате Залка	41/+6	-3/-5
	Раймбека – Фурманова	42/+7	-3/-5
	Раймбека – Мате Залка	40/+5	-3/-5
	Толе би – Фурманова	41/+6	-5/-3
	Толе би – Саина	40/+5	-5/-3
Кызылорда летом +38^оС зимой -16^оС	Абая – Муратбаева	45/+7	-12/-4
	Абая – Бокейхана	45/+7	-13/-3
	Желтоксан – Коркыт Ата	44/+6	-12/-4
	Токмагамбетова-Желтоксан	44/+6	-12/-4
	Токмагамбетова – Казбек би	44/+6	-13/-3
Усть-Каменогорск летом +30^оС зимой -16^оС	Абая – Ленина	34/+4	-10/-6
	Абая – Ворошилова	35/+5	-10/-6
	Абая – Бажова	35/+5	-11/-5
	Карбышева – Виноградова	34/+4	-12/-4
	Ленина-Белинского	34/+4	-12/-4

Конвекционный перенос тепла в газах может происходить при естественном и вынужденном движении газа. Естественная конвекция возникает вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц газа, а вынужденная конвекция происходит под действием посторонних побудителей (ветра, движения транспортных средств и т.д.). Конвекционный перенос тепла отличается от теплопроводности тем, что здесь переносчиками тепла являются сами макроскопические элементы, размеры которых во много раз превышают длину свободного пробега газа в воздушной среде.

Движение теплового потока в воздушной среде может быть ламинарным или турбулентным. При ламинарном режиме все частицы газа движутся параллельно друг другу, не перемешиваясь по нормали к направлению движения. Турбулентный режим характеризуется непрерывным перемешиванием всех слоев газа.

Согласно закону Ньютона – Рихмана в процессе теплообмена количество тепла, отдаваемого или получаемого от окружающей среды, прямопропорционально площади тела F, разности температур тела t_ст и среды t_в , характеристик ее движения, формы тела и его геометрических размеров. Для элементарной площади и элементарного времени /3/:

(1)

где (t_в- t_ст) - температурный напор; - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К).

Для стационарного процесса теплообмена УДС городов при постоянной температуре среды и площади поверхности тепловой поток равен:

(2)

а плотность теплового потока:

. (3)

Из уравнения (3) имеем:

(4)

Коэффициент теплоотдачи характеризует интенсивность теплообмена между поверхностью тела и омывающей средой и зависит от скорости движения среды , формы поверхности тела, его линейных размеров, температурного напора (t_в - t_ст), температуры среды t_в и т.д.

Теперь рассмотрим перенос тепла от поверхности дорожного покрытия к конструктивным слоям дорожной одежды. В этом направлении перенос тепла осуществляется только за счет теплопроводности, и расчеты производятся с использованием основного уравнения теплопроводности – уравнения Фурье /1/:

(5)

или

grad , (6)

где - количество тепла, Вт;

- коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);

- площадь поверхности, м²;

- плотность теплового потока, Вт/м².

Из формул (5) и (6) определяется коэффициент теплопроводности:

(7)

Теплоизоляционные материалы и другие строительные материалы (кирпич, бетон, бордюрные камни и др.), обладающие пористым строением, имеют сравнительно низкие коэффициенты теплопроводности 0,02¸3,0 Вт/(м×К). Именно воздух или газы, заполняющие поры и полости, и имеющие весьма малые значения , оказывают существенное влияние на теплопроводность материала в целом. Пористые материалы передают теплоту в основном через твердый компонент (скелет) и в меньшей степени через воздушные ячейки, так как теплопроводность твердого компонента в десятки раз превышает теплопроводность воздуха. Коэффициент теплопроводности пористых материалов сильно зависит от соотношения масс скелета и воздушных включений, т.е. от плотности материала /4/.

Методика проведения экспериментов. Для установления зависимости изменения температуры в слоях дорожной одежды от температуры и влажности воздуха были проведены ряд экспериментальных испытаний. Для этого выбраны участки дорог в городах Алматы и Кызылорда с различными типами конструкций дорожных одежд: с асфальтобетонным покрытием и без покрытия (таблица 2), а время проведения экспериментов - начало октября, т.к. в это время в этих городах максимальные и минимальные температуры воздуха примерно одинаковы, а влажность значительно отличается.

Измерения температур осуществлялись на верхнем и нижнем слоях дорожной одежды с применением микротермодатчиков сопротивления. Сначала термодатчики в квадратном порядке устанавливались в нижнем слое на глубине 40¸45 см, затем, таким же образом в верхнем слое покрытия на глубине 1¸1,5 см. Перед началом эксперимента с помощью ручной дрели готовились отверстия для установления термодатчиков. После установки датчиков их концы подсоединялись на мост сопротивления. Начало снятия показаний осуществлялось через час с интервалом 2 часа в течение суток. При каждом снятии показаний предварительно измерялись температура и влажность воздуха. Результаты замеров приведены в таблицах 3 и 4.

Таблица 2. Конструктивные слои дорожной одежды и теплофизические свойства их материалов

Вид верхнего слоя дорожной одежды	Конструктивные слои дорожной одежды	Толщина слоя, см	Теплопроводность, Вт/(м×К)	Удельная теплоемкость, кДж/(кг×К)
Асфальтобетон	1. А/б покрытие	6	1,54	0,8
	2. Смесь старого а/б с гравием	12	1,19	0,95
	3. Природный гравий	18	0,65	1,05
	4. Песчаный грунт	6	0,51	1,02
	5. Грунт з/п		0,96	1,19
Природный гравий	1. Природный гравий	26	0,65	1,05
	2. Песчаный грунт	13	0,51	1,02
	3. Грунт з/п		0,96	1,19

Анализ результатов измерений. Рассмотрим графики зависимости изменения температур от времени суток города Алматы (рис.1 и 2). Амплитуда суточного колебания температуры грунта под дорожной одеждой без асфальтобетонного покрытия составляет 5-6^оС, тогда как эта же характеристика для дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием составляет 11-12^оС. Это связано с тем, что теплопроводность конструктивных слоев дорожной одежды без асфальтобетонного покрытия ниже, чем теплопроводность дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием (таблица 2).

Аналогичные графики для города Кызылорда (рис. 3 и 4) показывают, что амплитуда колебании температуры грунта под дорожной одеждой без асфальтобетонного покрытия составляет 4-5^оС, а. с асфальтобетонным покрытием 9-10^оС. Это можно объяснить тем, что в городе Алматы влажность выше и приводит к увеличению общей теплопроводности дорожной одежды.

Таблица 3. Результаты замеров г. Алматы - октябрь 2002г., влажность воздуха W_в=69-71%

Параметры	Время суток, ч
	8	10	12	14	16	18	20	22	24	2	4	6	8
1. Температура возд., ^оС	12,0	16,0	23,5	26,0	24,5	19,0	13,5	11,5	10,8	10,5	10,5	10,8	11,2
Дорожная одежда с асфальтобетонным покрытием, Wгр=7,2%
2. Температура верхнего слоя дор. одежды, ^оС	10,4	14,8	24,8	28,9	29,2	25,8	17,5	11,5	10,0	9,5	9,3	9,3	9,6
3. Температура нижнего слоя, ^оС	11,3	12,5	16,8	19,5	20,9	20,5	18,0	14,8	12,5	10,8	10,0	10,0	10,1
Дорожная одежда без асфальтобетонного покрытия, Wгр=6,4%
4. Температура верхнего слоя дор. одежды, ^оС	10,0	11,5	23,5	27,5	26,3	16,0	11,5	10,0	9,5	9,0	9,0	9,0	9,8
5. Температура нижнего слоя, ^оС	11,0	11,5	12,5	14,0	15,2	15,2	14,5	12,8	11,2	10,0	9,8	9,8	10,1

Таблица 4. Результаты замеров г.Кызылорда - октябрь 2002г., влажность воздуха W_в=54-57%

Параметры	Время суток, ч
	8	10	12	14	16	18	20	22	24	2	4	6	8
1. Температура возд., ^оС	10,8	14,7	21,8	26,9	26,5	17,5	12,5	10,2	9,2	8,7	8,7	9,0	10,8
Дорожная одежда с асфальтобетонным покрытием, Wгр=5,8%
2. Температура верхнего слоя дор. одежды, ^оС	8,9	11,9	24,1	29,7	31,0	28,0	18,0	12,5	9,8	8,2	8,0	8,2	8,8
3. Температура нижнего слоя, ^оС	10,2	10,9	12,3	14,2	16,8	18,9	19,0	16,0	13,5	11,3	9,5	9,0	9,0
Дорожная одежда без асфальтобетонного покрытия, Wгр=5,2%
4. Температура верхнего слоя дор. одежды, ^оС	9,2	11,0	22,0	28,1	27,7	16,0	11,2	9,2	8,1	8,0	8,0	8,2	8,5
5. Температура нижнего слоя, ^оС	10,0	10,0	11,0	12,3	13,5	14,0	13,7	12,0	10,0	8,7	8,4	8,4	8,6

Изменение температуры поверхности дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием происходит интенсивнее, чем изменение температуры поверхности без асфальтобетонного покрытия для обоих городов. Это связано с теплоемкостью поверхности дорожной одежды. Теплоемкость асфальтобетонного покрытия ниже, чем природного гравия, который является верхним слоем дорожной одежды без асфальтобетонного покрытия. Это также объясняет и то, что максимальная разность температур воздуха и поверхности дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием выше, чем без асфальтобетонного покрытия. Например, для города Алматы эти разности составляют 4-5^оС и 1-2^оС соответственно, а для Кызылорды - 6-7^оС и 2-3^оС. Это различие разности температур в городах можно объяснить и различными климатическими условиями городов.

Если обратить внимание на процесс теплоотдачи со стороны дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием в окружающую среду (рис.1 и 3), то заметим, что этот процесс длится в течении 12 часов в Алматы (с 11 утра до 22 вечера) и 15 часов в Кызылорде (с 11³⁰ до 1 ночи). Но с 11 до 14 часов происходит одновременное нагревание и асфальтобетонной поверхности, и воздуха, поэтому интенсивность теплоотдачи намного меньше, чем после 14 часов, когда температура воздуха начинает падать, а температура поверхности еще растет (до 16 часов). Увеличение продолжительности теплоотдачи до 22⁰⁰ в городе Алматы и до 1 часа ночи в городе Кызылорда связано с тем, что после того, как температура нижнего слоя становится выше, чем температура поверхности (после 20⁰⁰) начинается процесс теплопередачи от нижнего слоя к верхнему.

Аналогичные процессы происходят и в дорожной одежде без асфальтобетонного покрытия (рис. 2 и 4), но интервалы выравнивания температур, интервалы теплоотдачи и их интенсивности другие. Например, процесс теплоотдачи со стороны дорожной одежды в окружающую среду длится всего 5 часов (с 12^оо до 17^оо), причем с небольшой интенсивностью, т.к. разность максимальных температур поверхности дорожной одежды и воздуха составляет 2-3^оС.

Таким образом, как показал анализ результатов исследований, дорожные покрытия из материалов с малой теплопроводностью оказывают меньшее влияние на микроклимат в городах.

Литература:

1. Лашутина Н.Г., Макашова О.В., Медведева Р.М. Техническая термодинамика с основами теплопередачи и гидравлики. – Л.: Машиностроение, 1988. – 336 с.

2. Бабаев М.Г. Асфальтовые материалы в условиях жаркого климата. – Л.: Стройиздат, 1984. – 192 с.

3. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник. (под ред. В.А.Григорьева, В.М.Зорина). – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 560 с.

4. Киялбаев А.К. Экологическая безопасность при эксплуатации автомобильных дорог и городских улиц. – Алматы: НИЦ «Fылым», 2003. – 300 с.