СИСТЕМА ДЛЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ОСНОВАНИЯ СООРУЖЕНИЙ НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ
SYSTEM FOR TEMPERATURE STABILISATION OF STRUCTURES FOUNDATION ON PERMAFROST SOILS

Предлагаемое изобретение относится к строительству на вечномерзлых грунтах и касается выполнения систем замораживания и термостабилизации грунтовых оснований сооружений.
Известно устройство для замораживании горных пород (см. А.С. СССР №831982, МКИ Е21D 1/12, опубл. 23.05.81), включающее U-образный распределительный и коллекторный трубопроводы с тупиками и замораживающие колонки, подключенные к трубопроводам, при этом тупики распределительного и коллекторного трубопроводов расположены на противоположных сторонах зоны замораживания, причем коллекторный трубопровод выполнен прямолинейным, а замораживающие колонки подключены к тупиковой стороне U-образного распределительного трубопровода, т.е. принцип работы устройства - принудительная прокачка охлажденного в замораживающей станции жидкого теплоносителя через последовательно и параллельно скоммутированные заглубленные в грунт вертикальные колонки.
Недостатком известного устройства являются высокая сложность и себестоимость и низкая эффективность.
Данный недостаток обусловлен значительными энергозатратами на искусственное охлаждение и прокачку теплоносителя через охлаждающие колонки, кроме того, известное устройство невозможно применять в парожидкостном цикле охлаждения с использованием естественного холода окружающей атмосферы в зимний период времени.
Известно также принятое за прототип устройство для замораживания грунта под сооружением, описанное в авторском свидетельстве СССР №872640, МПК Е02D 3/115, опубликованное 15.10.1981 г., которое включает конденсатор и испаритель, выполненные в виде частично заполненных низкокипящим жидким агентом труб, размещенных с уклоном, причем каждая труба выполнена по длине ломаной с чередующимися восходящими и нисходящими участками.
Недостатком данной системы является низкая эффективность и скорость замораживания на начальном этапе пуска системы.
Данный недостаток обусловлен конструктивными особенностями испарителя, в котором каждая труба испарителя выполнена С-образной с верхней и нижней ветвями, и трудоемкостью монтажа испарителя.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение себестоимости и повышение эффективности и скорости замораживания на начальном этапе пуска системы.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной системе для температурной стабилизации оснований сооружений на вечномерзлых грунтах, содержащей гидрозатвор, уравнительный сосуд, соединенный с конденсатором и связанный с ними посредством трубопроводов, подводящих и отводящих теплоноситель, испарителем, размещенным в отсыпке грунта основания, согласно изобретения содержится дополнительный испаритель с системой трубопроводов и гидрозатвором, причем оба испарителя размещены равномерно по всей площади отсыпки грунта основания, оснащенного слоем теплоизоляции и соединены с помощью трубопроводов посредством своих отводящих концов - с верхними точками уравнительного сосуда, а подводящими концами основной и дополнительный испарители подсоединены в нижней точке конденсатора и нижней точке уравнительного сосуда соответственно через соответствующие гидрозатворы, подача теплоносителя из уравнительного сосуда в дополнительный испаритель обеспечивается через патрубок, расположенный внутри объема уравнительного сосуда, высота которого равна, по меньшей мере, 1/3 диаметра уравнительного сосуда, каждый испаритель выполнен в виде системы труб, уложенной в горизонтальной плоскости равномерно по всей площади отсыпки грунта основания, и имеет вид плоского змеевика, при этом витки системы труб одного испарителя находятся в промежутке между витками системы труб другого испарителя, а в качестве теплоносителя используется легкокипящий теплоноситель - аммиак.
Между отличительными признаками и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.
В отличие от аналога и прототипа использование в предлагаемом техническом решении «Система для температурной стабилизации оснований сооружений на вечномерзлых грунтах» дополнительного испарителя с системой трубопроводов и гидрозатвором параллельно основному позволяет получить дополнительный захолаживающий эффект без дополнительных затрат теплоносителя, т.к. дополнительный испарительный контур работает на «излишках» теплоносителя основного контура, которые образуются на начальной стадии захолаживания основания сооружения, когда замыкается, таким образом, циркуляционный холодильный цикл основного испарителя, благодаря которому осуществляется перенос тепла от подсыпки к окружающему воздуху. Это повышает эффективность и скорость замораживания на начальном этапе пуска системы, а также снижает себестоимость процесса замораживания с учетом того, что работа дополнительного испарительного контура осуществляется в режиме автоматического саморегулирования, а оба испарителя размещены равномерно по всей площади отсыпки грунта основания, оснащенного слоем теплоизоляции. Поскольку оба испарителя соединены с помощью трубопроводов посредством своих отводящих концов с верхними точками уравнительного сосуда, а подводящими концами основной и дополнительныйо испарители подсоединены в нижней точке конденсатора и нижней точке уравнительного сосуда соответственно через соответствующие гидрозатворы, включение в работу циркуляционного контура, содержащего основной испаритель на начальных этапах замораживания грунта, сопровождается значительными тепловыми потоками от грунта в основной и дополнительный испарители, в результате чего в контуре наблюдаются существенные скорости циркуляции как жидкой, так и паровой фаз за счет большого процентного содержания паровой смеси. Простота узла подачи теплоносителя из уравнительного сосуда в дополнительный испаритель через патрубок, расположенный внутри объема уравнительного сосуда, высота которого отстоит от дна уравнительного сосуда, по меньшей мере, на 1/3 диаметра «D» уравнительного сосуда, и выполнение каждого испарителя в виде системы труб, уложенной в горизонтальной плоскости равномерно по всей площади отсыпки грунта основания, в виде плоского змеевика и использование в качестве теплоносителя легкокипящего теплоносителя - аммиака позволяет при низких затратах на простую конструкцию всей системы включением в работу дополнительного испарителя повысить эффективность замораживания основания сооружения увеличением теплосъема с единицы площади основания. Это является чрезвычайно важным для быстрого восстановления мерзлотного режима основания после летнего растепления, повышения эффективности и скорости замораживания на начальном этапе пуска системы, а также снижения себестоимость, поскольку, как упоминалось выше, постановка дополнительного испарительного контура параллельно основному позволяет получить дополнительный захолаживающий эффект без дополнительных затрат теплоносителя, т.к. дополнительный испарительный контур работает на «излишках» теплоносителя основного контура, которые образуются на начальной стадии захолаживания основания сооружения.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения «Система для температурной стабилизации оснований сооружений на вечномерзлых грунтах», позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного технического решения. По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков заявляемого изобретения «Система для температурной стабилизации оснований сооружений на вечномерзлых грунтах» не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна". Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявляемой системе для температурной стабилизации оснований сооружений на вечномерзлых грунтах, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение «Система для температурной стабилизации оснований сооружений на вечномерзлых грунтах» соответствует критерию "новизна".
Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить совокупность признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленной системы для температурной стабилизации оснований сооружений на вечномерзлых грунтах. Результаты поиска показали, что заявленная система для температурной стабилизации оснований сооружений на вечномерзлых грунтах не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата. Следовательно, заявленное изобретение «Система для температурной стабилизации оснований сооружений на вечномерзлых грунтах» соответствует критерию "изобретательский уровень".
Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленной системы для температурной стабилизации оснований сооружений на вечномерзлых грунтах совокупности условий в том виде, как заявляемая система охарактеризована в формуле изобретения, т.е. подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанного в заявке примера конкретного выполнения. Конструктивные элементы, воплощающие заявленную систему для температурной стабилизации оснований сооружений на вечномерзлых грунтах при ее осуществлении, способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, а именно снизить себестоимость и повысить эффективность и скорость замораживания на начальном этапе пуска системы, следовательно, заявленное изобретение «Система для температурной стабилизации оснований сооружений на вечномерзлых грунтах» соответствует критерию "промышленная применимость".
Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения «Система для температурной стабилизации оснований сооружений на вечномерзлых грунтах», может быть многократно использована в технологически нетрудоемком процессе стабилизации оснований сооружений на вечномерзлых грунтах с получением технического результата, заключающегося в снижении себестоимости и повышении эффективности и скорости замораживания на начальном этапе пуска системы, что позволяет экономически выгодно и надежно укрепить несущую способность фундамента основания, обеспечивающих замораживание подсыпки и подстилающего грунта, находящегося под ней до границы залегания мерзлоты с использованием ресурса естественного холода.
Сущность заявляемого изобретения поясняется примером конкретного выполнения и чертежами, где на фиг.1 схематично изображена система для температурной стабилизации основания сооружений на вечномерзлых грунтах;
- на фиг.2 схематично изображен увеличенный узел I - уравнительный сосуд с патрубком опускных труб;
- на фиг.3 - испаритель, выполненный в виде системы труб, уложенной в горизонтальной плоскости равномерно по всей площади отсыпки грунта основания, в виде плоского змеевика;
- на фиг.4 - то же испаритель, выполненный в виде системы труб, уложенной в горизонтальной плоскости равномерно по всей площади отсыпки грунта основания, в виде спирали Архимеда.
Система для температурной стабилизации основания сооружения 1 на вечномерзлых грунтах состоит из отсыпки грунта основания 2 из непросадочного при оттаивании материала, которая уложена в основании сооружения 1 на вечномерзлом грунте 3. Сооружение 1 опирается на фундаментное кольцо 4, под которым в непосредственной близости уложен слой эффективной теплоизоляции 5, в качестве которой используют экструзионный полистирол марки «URSA», под слоем которой расположены испарители 6 и 7, основной и дополнительный, соответственно каждый из которых выполнен в виде системы труб 8, уложенной в горизонтальной плоскости равномерно по всей площади отсыпки грунта основания 2 в виде плоского змеевика 9 (или спирали Архимеда) таким образом, что витки трубы одного испарителя находятся в промежутке между витками трубы другого испарителя. Форма укладки труб испарителей зависит от типа сооружения. Для прямоугольной формы сооружения в плане используется змеевиковая укладка, для цилиндрических сосудов - спиральная. Основной испаритель 6, выполненный в виде системы труб 8, связан с трубопроводами 10 и 11 соответственно подводящих и отводящих теплоноситель. Своим подводящим концом 12 через гидрозатвор 13 и опускные вертикальные трубы 14 подводящего трубопровода 10 основной испаритель 6 связан с конденсатором воздушного охлаждения 15, выполненным в виде аппарата воздушного охлаждения с естественным обдувом его оребренной части окружающим воздухом, а отводящим концом 16 через подъемную вертикальную трубу 17 отводящего трубопровода 11 основной испаритель 6 соединен с верхней точкой уравнительного сосуда 18, который связан при помощи верхней соединительной трубы 19 с конденсатором воздушного охлаждения 15. Дополнительный испаритель 7 соединен с системой трубопроводов 20 и 21 соответственно подводящих и отводящих теплоноситель. Своим подводящим концом 22 через гидрозатвор 23 дополнительный испаритель 7 соединен посредством опускных вертикальных труб 24 с нижней точкой 25 уравнительного сосуда 18, при этом приемный патрубок 26 опускной трубы 24 имеет высоту «h», равную 1/3 диаметра «D» уравнительного сосуда 18. Дополнительный испаритель 7 своим отводящим концом 27 посредством подъемной вертикальной трубы 28 отводящего трубопровода 21 связан с верхней точкой 29 уравнительного сосуда 18.
Система для температурной стабилизации основания сооружений на вечномерзлых грунтах работает следующим образом.
После монтажа и испытаний на герметичность из конденсатора воздушного охлаждения 15 сливается в основной испаритель 6 легкокипящий теплоноситель, например аммиак, в объеме, равном внутреннему объему труб основного испарителя 6. Так при общей длине трубопроводов 10 и 11 основного испарителя 6, равной 1000 м, и их внутреннем диаметре 32 мм количество аммиака в основном испарителе составит 334 кг. Работа системы осуществляется в конце осени и в зимнее время года, когда температура окружающего воздуха становится существенно ниже температуры отсыпки. В этом случае давление паров аммиака в конденсаторе воздушного охлаждения 15 становится ниже равновесного давления, соответствующего температуре кипения аммиака в трубах 8 основного испарителя 6. В результате этого теплоноситель-аммиак в основном испарителе 6 закипает и его пары с брызгами жидкости под напором столба жидкого аммиака в гидрозатворе 13 и подводящему теплоноситель трубопроводу 10 движутся по трубам основного испарителя 6 в отводящий теплоноситель трубопровод 11 и через вертикальную трубу 17 в виде парожидкостной смеси теплоноситель поступают далее в уравнительный сосуд 18, где смесь разделяется на жидкость и пар, который по трубопроводу 19 поступает в конденсатор воздушного охлаждения 15, откуда образующаяся в результате конденсации жидкость-конденсат по опускной трубе 14, через гидрозатвор 13 и подводящий трубопровод 10 самотеком подается в основной испаритель 6, замыкая, таким образом, циркуляционный холодильный цикл, благодаря которому осуществляется перенос тепла от подсыпки к окружающему воздуху. Унесенная паром жидкость до поры до времени накапливается в нижней части уравнительного сосуда 18. Включение в работу циркуляционного контура, содержащего основной испаритель 6 на начальных этапах замораживания грунта, сопровождается значительными тепловыми потоками от грунта в основной испаритель 6 и дополнительный испаритель 7, в результате чего в контуре наблюдаются существенные скорости циркуляции как жидкой, так и паровой фаз за счет большого процентного содержания паровой смеси. В результате этого в уравнительном сосуде 18 накапливается жидкий аммиак, и уровень его постепенно растет и достигает торца приемного патрубка 26 опускной трубы 24, находящейся в контуре дополнительного испарителя 7. При достижении уровня жидкости в уравнительном сосуде 18 торца входящего в уравнительный сосуд приемного патрубка 26 опускной трубы 24 возникает самотечное движение жидкого аммиака по опускной трубе 24, гидрозатвору 23 и подводящей трубе 20 в дополнительный испаритель 7. С этого момента в работу по охлаждению грунта включается дополнительный испаритель 7 по аналогии с работой основного испарителя 6. Включение в работу дополнительного испарителя способствует повышению эффективности замораживания основания сооружения, т.к. увеличивается теплосъем с единицы площади основания. Это является чрезвычайно важным для быстрого восстановления мерзлотного режима основания после летнего растепления. По мере захолаживания основания тепловой поток от грунта к испарителям 6 и 7 снижается, уменьшается скорость циркуляции потока теплоносителя в контурах, а значит, уменьшается и вынос жидкой фазы в уравнительный сосуд 18. В результате этого уровень жидкости в уравнительном сосуде 18 снижается и в определенный момент в переливной патрубок 26 опускной трубы 24 жидкий теплоноситель перестает поступать и циркуляция теплоносителя в дополнительном испарителе 7 прекращается, т.е. в работе остается только контур с основным испарителем 6. Таким образом постановка дополнительного испарительного контура параллельно основному позволяет получить дополнительный захолаживающий эффект без дополнительных затрат теплоносителя, т.к. дополнительный испарительный контур работает на «излишках» теплоносителя основного контура, которые образуются на начальной стадии захолаживания основания сооружения. Следует отметить, что работа дополнительного испарительного контура осуществляется в режиме автоматического саморегулирования - есть «излишки» теплоносителя, то контур работает, нет «излишек» теплоносителя - контур не работает.
Предложенная система для температурной стабилизации оснований сооружений на вечномерзлых грунтах позволяет снизить себестоимость и повысить эффективность и скорость замораживания на начальном этапе пуска системы. Включение в работу дополнительного испарителя способствует повышению эффективности замораживания основания сооружения, т.к. увеличивается теплосъем с единицы площади основания. Это является чрезвычайно важным для быстрого восстановления мерзлотного режима основания после летнего растепления.