КОНСТРУКЦИЯ ДЛЯ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ ГРУНТОВ ПОД ЗДАНИЯМИ И СООРУЖЕНИЯМИ

Конструкция для термостатирования грунтов под зданиями и сооружениями.
Предлагаемая полезная модель относится к области строительства, а именно к устройствам для охлаждения и замораживания грунтов и может быть использована при строительстве сооружений в районах распространения многолетнемерзлых пород с целью повышения несущей способности грунтов оснований и фундаментов в результате их термостатирования при отрицательных температурах.
Особенности оснований сооружений, возводимых на многолетнемерзлых грунтах, определяются специфическими климатическими условиями в высокоширотных районах Крайнего Севера. В зимний период температура воздуха там продолжительное время довольно низкая и достигает часто минус 40°. Однако снежный покров и низкая теплопроводность грунта не позволяют ему глубоко и сильно промерзнуть. В летнее время года мерзлый грунт оттаивает, кроме того, при отклонении от проектного режима эксплуатации отапливаемых зданий и сооружений процесс таяния мерзлых грунтов происходит интенсивнее, при этом создается угроза деформации оснований и разрушения зданий и сооружений.
Одним из способов сохранения отрицательной температуры мерзлых оснований под сооружениями является применение искусственного замораживания талых или охлаждения мерзлых грунтов оснований с помощью охлаждающих установок преимущественно сезонного действия. Сезонно-действующие охлаждающие устройства в зимнее время дополнительно охлаждают мерзлый грунт, а летом - не работают. Применение таких устройств позволяет значительно повысить несущую способность оснований сооружений и не допускать развитие деформаций оснований в летний период.
Известно охлаждающее устройство для замораживания грунта (RU 120974 U1, МПК E02D 3/115, опубликовано 26.04.2012 г), содержащее горизонтально расположенные параллельно друг другу охлаждающие трубы, наполненные низкокипящей жидкостью, теплоизоляционную отсыпку над охлаждающим трубами и конденсаторные теплообменники, при этом концы охлаждающих труб загнуты вверх под 90° и выступают над теплоизоляционной отсыпкой на 1-2 м с индивидуальным конденсаторным теплообменником на конце каждой охлаждающей трубы, длины охлаждающих труб соответствуют длине транспортного контейнера, а в случае, если конфигурация охлаждаемого фундамента сооружения превышает длину транспортного контейнера, длина охлаждающих труб увеличивается путем соединения их концов на теплопроводной пасте внутри стыковочных кожухов.
Недостаток известной конструкции заключается в низкой ремонтопригодности, что приводит к необходимости резервирования дополнительных охлаждающих труб под отсыпкой, а это в свою очередь снижает надежность устройства.
Наиболее близким к предлагаемому является система температурной стабилизации грунтов оснований зданий и сооружений (RU 141110 U1, МПК E02D 3/115, опубликовано 27.05.2014 г.), имеющая контур охлаждения, который содержит систему гравитационных тепловых труб, горизонтальная испарительная часть которых, расположенная ниже уровня грунта под охлаждаемым зданием или сооружением, соединена посредством транспортных зон с вертикальной конденсаторной частью, расположенной над уровнем грунта,
При этом испарительные части тепловых труб размещены в основании сооружения с уклоном от 10° до 0° к продольной оси сооружения. Согласно полезной модели, зоны испарения размещены в естественном грунте основания, в сквозных скважинах, пробуренных способом наклонно - направленного бурения, под всем контуром сооружения.
Однако известное устройство имеет недостаточно высокую тепловую эффективность, так как зависит от температуры воздуха в холодный период, поэтому при установлении высоких температур в зимнее время устройство не включается в работу. Грунты основания не промораживаются, а тепловой инерции замороженного зимой грунта отсыпки может оказаться недостаточной для поддержания его в твердом состоянии в летний период т.е. задача термостатирования грунта на уровне отрицательных температур может быть не достигнута.
Технической задачей настоящей полезной модели является создание конструкции, имеющей повышенные по сравнению с прототипом мощностные характеристики и расширенные эксплуатационные возможности.
Техническим результатом является создание конструкция для термостатирования грунтов под зданиями и сооружениями, в которой обеспечивается увеличение несущей способности грунта основания из-за поддержания заданного температурного режима, повышение эффективности конструкции в целом путем применения капиллярно-пористых покрытий внутри труб испарителя и увеличения площади теплообмена испарительной части конструкции, улучшение эксплуатационных качеств конструкции в результате обеспечения возможности мониторинга процесса охлаждения, обслуживания и ремонта охлаждающих устройств, а также возможность использования отведенного тепла в практических целях (например, для обогрева сооружения или горячего водоснабжения).
Решение поставленной технической задачи и достижение технического результата обеспечиваются тем, что конструкция для термостатирования грунтов под зданиями и сооружениями, имеющая первый контур охлаждения, который содержит гравитационные тепловые трубы, горизонтальные испарительные секции которых, расположенные ниже уровня грунта под охлаждаемым зданием или сооружением, соединены посредством транспортных зон с вертикальными конденсаторными секциями, расположенными над уровнем грунта, дополнительно снабжена вторым охлаждающим контуром, выполненным в виде вертикальных гравитационных тепловых труб, конденсаторные секции которых находятся в термическом контакте с горизонтальными испарительными секциями гравитационных труб первого контура. Все испарительные секции тепловых труб снабжены внутренним капиллярно-пористым покрытием, причем в линиях связи конденсаторных секций тепловых труб первого контура, расположенных выше уровня грунта, с испарительными секциями установлены запорные вентили, предназначенные для отключения конструкции по мере необходимости, термический контакт между конденсаторными секциями тепловых труб дополнительного второго контура и испарительными секциями тепловых труб первого контура осуществляется посредством профиля из материала, обладающего высокой теплопроводностью. Конденсаторные секции первого контура расположены вертикально и объединены в пучок, размещенный на площадке обслуживания конструкции. Конструкция может быть снабжена тепловым насосом, испарительная секция которого находится в тепловом контакте с трубами транспортных зон первого контура. Стыковка транспортных, испарительных и конденсаторных секций тепловых труб может осуществляется посредством гибкого соединения.
Сущность предлагаемой полезной модели «Конструкция для температурной стабилизации грунтов оснований зданий и сооружений» поясняется схемами, представленными на фигурах:
- на фиг. 1 представлена схема вертикального разреза предлагаемой конструкции для термостатирования грунтов под зданиями и сооружениями.
- на фиг. 2 представлена схема вертикального разреза предлагаемой конструкции для термостатирования грунтов под зданиями и сооружениями, снабженной тепловым насосом.
Конструкция для термостатирования грунтов под зданиями и сооружениями (фиг. 1) имеет первый контур охлаждения в виде гравитационных тепловых труб с конденсаторными секциями 1, расположенными вертикально над уровнем грунта. Конденсаторные секции 1 посредством транспортных зон 2, объединенных над поверхностью грунта в пучок, соединены с горизонтальными испарительными секциями 3, расположенными ниже уровня грунта под зданием или сооружением. Каждая из конденсаторных секций 1 подключается к линии связи с испарительной секцией через вентиль 4. Испарительные секции 3 гравитационных труб первого контура через теплопередающий элемент, например, металлический профиль 5, находятся в тепловом контакте с горизонтально направленными конденсаторными секциями 6 гравитационных тепловых труб второго контура, имеющих вертикальные испарительные секции 7.
Для повышения эффективности использования низкопотенциального тепла конструкция для температурной стабилизации грунтов оснований зданий и сооружений может снабжаться тепловым насосом (фиг. 2).Испаритель 8 теплового насоса находится в термическом контакте с парами хладагента, поднимающимися из испарительных секций первого контура 3 в конденсатор 1. Компрессорный агрегат 9 теплового насоса нагнетает горячие сжатые пары хладагента в конденсаторную секцию 10, которая может располагаться под полом 11 здания или сооружения. Возможно также использование тепла, отводимого из конденсаторной секции теплового насоса, для получения горячей воды. Кроме того, тепло конденсации хладагента теплового насоса может использоваться для нагрева промежуточного теплоносителя.
Конструкция функционирует следующим образом. В ходе строительных работ вначале монтируют вертикальные, а затем и горизонтальные гравитационные трубы первого и второго контуров.
Испарительные секции тепловых труб первого контура охлаждения размещают в естественном грунте основания внутри периметра сооружения. Свободные торцы зоны испарения первого контура выводят за пределы периметра сооружения и соединяют с транспортной зоной, которая уложена в траншеи, ориентированные вдоль продольной оси сооружения, а свободный торец транспортной зоны соединяют с зонами конденсации, которые собраны в пучок. Собранные в пучок зоны конденсации позволяют освободить территорию вокруг сооружения, что значительно облегчает обслуживание охлаждающих устройств, ремонт или замену. При этом каждый пучок конденсаторов закреплен на поддерживающей конструкции, установленной на сваях, оборудованной площадкой для заправки охлаждающих устройств, обслуживания и мониторинга процесса охлаждения. Транспортные зоны могут иметь гибкие вставки, что позволяет менять угол поворота при укладке их в траншеи.
Конденсаторные секции 1 гравитационных тепловых труб поставляют на монтажную площадку в собранном и заправленном хладагентом виде с перекрытыми вентилями 4. Количество заправленного в конденсаторные секции хладагента соответствует норме, которая необходима для работы каждой из гравитационных тепловых труб первого контура. Далее производится опрессовка и вакуумирование труб транспортных и испарительных секций гравитационных труб первого контура. После этого открывают вентиль 4 и происходит заполнение хладагентом всего объема каждой из гравитационных тепловых труб первого контура. Такая процедура по сравнению с прототипом позволяет существенно упростить ввод в эксплуатацию первого контура т.к. нет необходимости осуществлять заправку хладагентом тепловых труб на месте, в условиях сурового климата. Весь необходимый хладагент заправляется в конденсаторные секции на заводе при их изготовлении. Секции поставляются к месту эксплуатации отдельно, что также упрощает транспортировку элементов конструкции к месту ее монтажа.
Секции испарения тепловых труб устройств монтируют из труб с внутренним капиллярно-пористым покрытием. В исследованных экспериментально трубах испарителя с капиллярно-пористым покрытием внутри трубы испарителя хладон достаточно равномерно распределяется по контуру, обеспечивая относительно однородную среду теплопередачи в грунт с уменьшением перепада отрицательных температур на поверхности трубы, контактирующего с промораживаемым грунтом до 1-2°C, т.е. в 6-9 раз лучше, чем в гладкой трубе. Это позволяет при одновременном понижении отрицательной температуры на поверхности испарителя (в среднем на 5-6°C и более) значительно ускорить процесс замораживания грунта и смыкания «льдогрунтовых цилиндров» близких по форме к круглоцилиндрической, что делает теплотехнические прогнозы термостабилизации грунтов оснований зданий и сооружений более корректными, достоверными и надежными. Использование труб испарителей парожидкостных термостабилизаторов с капиллярно-пористым покрытием позволило в первом приближении получить коэффициент эффективности К=3,4. Это значит, что внутреннее термическое сопротивление конструкции с испарителем из труб с капиллярно-пористым покрытием в 3,4 раза меньше, чем из труб с гладкой поверхностью. Соответственно, при том же перепаде температур Δ на конденсаторе и испарителе возможно передать в 3 раза больше тепловой энергии, чем при использовании старой конструкции. Также увеличивается срок работы термостабилизатора в холодный период времени, что повышает объем льдогрунтового массива.
Запуск конструкции для температурной стабилизации в работу происходит при понижении температуры атмосферного воздуха относительно температуры грунта на 6-8°C. При этом возникает перепад давлений между испарительными секциями 3 и конденсаторными секциями 1 тепловых труб первого контура, в результате чего жидкий хладагент, находящийся в испарительной секции 3, закипает (процесс сопровождается эндотермической реакцией). Насыщенные пары хладагента устремляются в воздушную конденсаторную секцию 1, где конденсируются на его внутренней поверхности. Далее, сконденсированный хладагент принимает температуру близкую к температуре атмосферного воздуха и под действием сил гравитации опускается обратно в испаритель 3. Попадая в испарительную секцию 3, жидкий хладагент по мере своего продвижения вниз нагревается и закипает (процесс сопровождается эндотермической реакцией) за счет разности собственной температуры и температуры стенок испарительной секции 3, переходит в парообразное состояние и поднимается в конденсаторную секцию 1.
При охлаждении испарительной секции 3 через металлический теплопроводящий профиль 5, например алюминиевый, осуществляется охлаждение конденсаторных секций 6 вертикальных гравитационных труб второго контура. При этом возникает перепад давлений между испарительной секцией 7 и конденсаторной секцией 6, в результате чего жидкий хладагент, находящийся в испарителе 7, закипает (процесс сопровождается эндотермической реакцией). Насыщенные пары хладагента устремляются в конденсатор 6, где конденсируются на его внутренней поверхности. Далее, сконденсированный хладагент принимает температуру близкую к температуре хладона внутри испарительной секции 3 каждой из тепловых труб первого контура и под действием сил гравитации устремляется обратно в испарительную секцию 7. Попадая в названную секцию 7, жидкий хладагент по мере своего продвижения вниз нагревается и закипает (процесс сопровождается эндотермической реакцией) в результате разности собственной температуры и температуры стенок испарительной секции 7, переходит в парообразное состояние и устремляется в конденсатную секцию 6.
Для функционирования конструкции в течение всего года, а также использования отведенного низкопотенциального тепла грунта в практических (хозяйственных) целях к конструкции может быть подключен тепловой насоса.
При включении теплового насоса в его испаритель 8, расположенный в транспортной секции 2 труб первого контура, поступает охлажденное рабочее тело, например фреон. Фреон в испарителе 8 кипит и испаряется при низкой температуре, поглощая тепло, отбираемое из окружающей среды горизонтальными и вертикальными гравитационными трубами. Пары поступают в компрессор, где их давление и температура повышаются. Сжатые пары фреона поступают в конденсатор 10, где фреон охлаждается, передавая свое латентное тепло фазового перехода теплоносителю, циркулирующему в конструкции теплоснабжения. Охладившись, фреон переходит в жидкое состояние и через регулирующий вентиль (дроссель) возвращается в испаритель 8. Тепло конденсации, переданное, например, промежуточному теплоносителю может быть использовано для обогрева пола 11 сооружения или нагрева воды в системе горячего водоснабжения.
Проведенные эксперименты показали, что в предлагаемой конструкции, имеющей испарительные секции гравитационных тепловых труб с. капиллярно-пористым покрытием внутри трубы, обеспечивается эффективное замораживание и последующее термостатирование грунта под зданием или сооружением.