ОХЛАЖДАЮЩЕЕ СЛАБОНАКЛОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Полезная модель относится к объектам, возводимым на многолетнемерзлых и слабых грунтах, например насыпям железных и автомобильных дорог. Эти объекты оказывают на вечномерзлые грунты основания большое тепловое влияние. Охлаждение, из-за очистки снега зимой; отепление, из-за скопления снега зимой и инсоляционного прогрева летом. Оттаивание приводит к деформациям дорожного полотна.
Для термостабилизации грунтов используются устройства, представляющие собой вертикальные и наклонные парожидкостные сезонно действующие охлаждающие установки (СОУ), предназначенные для замораживания и круглогодичного поддержания в мерзлом состоянии оснований инженерных сооружений, возводимых в зоне многолетнемерзлых грунтов.
Известна гравитационная тепловая труба, предложенная Лонгом в 1965 г., [Long E.L. Long thermohile // Proc. Intern. Permafrost Cjnf. USA, 1965, p. 487-491.]. Гравитационная тепловая труба действует следующим образом. В результате разности температур в испарителе и конденсаторе хладагент испаряется, и пар поступает в конденсатор, где он конденсируется, и тепло передается в окружающую среду, а конденсат стекает в испаритель, образуя замкнутый цикл "испарение-конденсация".
Эффективность работы тепловой трубы зависит от скорости движения конденсата и площади смачивания конденсатом поверхности испарителя.
В гравитационных тепловых трубах движение конденсата происходит под действием гравитационных сил, направленных сверху вниз перпендикулярно поверхности Земли. Наклон испарителя гравитационной тепловой трубы к горизонту приводит к уменьшению составляющей гравитационной силы, направленной вдоль оси испарителя и определяющей скорость движения конденсата.
Важным фактором эффективности тепловой трубы является площадь испарения, определяемая поверхностью смачивания. Чем она больше, тем эффективность выше. В гравитационных тепловых трубах наклон испарителя к горизонту приводит к преобразованию пленочного движения конденсата в струйное в нижней части трубы, что существенно сокращает площадь испарения, а следовательно уменьшает эффективность тепловой трубы.
Недостатком такой тепловой трубы является необходимость ее вертикального расположения для обеспечения равномерного растекания хладагента по ее внутренней поверхности.
Известна капиллярная тепловая труба с закрепленным на ее внутренней поверхности средством для увеличения поверхности смоченной теплоносителем (фитиль) [Патент США №2350348, F25D 11/025, F25D 11/02. F28D 15/04, опубл. 1944.].
Фитиль представляет собой пористое тело, изготовленное из металлической сетки или спекшегося металлического порошка, например порошка меди. Благодаря фитилю конденсат в трубе распределяется равномерно по всему ее периметру и перемещается под действием капиллярных сил от участка с меньшей температурой к участку с большей температурой, независимо от положения трубы в пространстве. В капиллярных тепловых трубах движение конденсата происходит под действием капиллярных сил, которые не зависят ее от ориентации в пространстве, а зависят лишь от размера пор фитиля, кроме того, в капиллярных тепловых трубах поверхность смачивания конденсатом равна поверхности фитиля, полностью покрывающего ее внутреннюю поверхность.
К недостаткам "капиллярной тепловой трубы" можно отнести то, что она будет работать и в летнее время, проводя тепло в грунт, что неприемлемо, если осуществляется его охлаждение.
Наиболее близким техническим решением является охлаждающее устройство для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов включающее участки испарения и конденсации, и расположенное в трубе средство для увеличения поверхности смоченной теплоносителем, при этом участок конденсации расположен вертикально над землей и имеет оребрение, увеличивающее поверхность охлаждения, участок испарения расположен под землей наклонно к горизонту [Патент РФ №143964, Кл E02D 3/115, 10.08.2014].
Участок испарения трубы расположен под углом к горизонту от 0° до 90°.
Средство для увеличения поверхности смоченной теплоносителем расположено по всей поверхности испарителя и представляет собой сетку из нержавеющей стали или спекшегося порошка меди.
Недостатком, известного охлаждающего устройства является уменьшение эффективности работы при отклонении участка от вертикали вследствие уменьшения площади смачивания из-за неравномерности механического прижатия сетки из нержавеющей стали к стенкам в электросварных трубах при наличии шва на всем ее протяжении. Различные дефекты труб при массовом изготовлении могут привести также к нарушению целостности пористого покрытия из меди. Таким образом покрыть всю поверхность испарителя сеткой из нержавеющей стали с достаточным для возникновения капиллярных сил прижимом или медного спеченного порошка возможно лишь для гладких ровных труб без дефектов и швов. Эффективность же устройства будет снижена в случае использования обычных труб.
Задачей, которая решается с помощью полезной модели, является повышение эффективности работы устройства.
Поставленная задача решается тем, что в охлаждающем устройстве для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов, включающим участки испарения и конденсации, и расположенный в трубе фитиль для увеличения поверхности, смоченной теплоносителем, при этом участок конденсации расположен вертикально над землей и имеет оребрение, увеличивающее поверхность охлаждения, участок испарения расположен под землей наклонно к горизонту, фитиль для увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем, образован из наночастиц и стальной винтовой проволоки на всей поверхности испарителя, а испаритель тепловой трубы установлен под углом к горизонту от 0 до 90.
Покрытие внутренней поверхности испарителя тепловой трубы выполнено наночастицами различных видов керамики, поскольку керамика представляет собой смесь оксидов различных материалов хорошо смачивающихся большинством теплоносителей. Стальная винтовая проволока выполняется из стали, которая отвечает требованиям надежности, не дорога в производстве и обладает высокой теплопроводностью.
На Фиг. 1. показано устройство с фитилем из наночастиц с расположением участка испарения под углом
На Фиг. 2. представлен фитиль в виде покрытия поверхности с наночастицами (увеличение 10000 раз) на который потом устанавливается стальная витая проволока.
На Фиг. 3 представлены экспериментальные данные, полученные на модели слабонаклонного охлаждающего устройства с различными структурами поверхности: покрытие из наночастиц и стальной витой проволоки, покрытие из наночастиц, без покрытия, покрытие из витой проволоки.
Охлаждающее устройство для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов состоит из тепловой трубы, содержащей участок конденсации 1 и испарения 2.
Участок конденсации 1 (фиг. 1) расположен вертикально над землей, участок испарения 2 - под землей, наклонно или вертикально. Участок конденсации 1 имеет оребрение 3 с целью увеличения поверхности охлаждения. Участок испарения 2 снабжен фитилем 4 для увеличения поверхности трубы, смоченной жидким теплоносителем 5, и выполнен в виде покрытия из наночастиц различных видов керамики и стальной винтовой проволоки.
Гравитационно-капилярная тепловая труба с фитилем из наночастиц и стальной винтовой проволоки работает только зимой, а ее подземная часть может быть наклонена к горизонту от 0° до 90°. Эффективность устройства не понижается при любой геометрии трубы.
Расположение испарителя гравитационно-капилярной тепловой трубы с фитилем из наночастиц под углом 0° к горизонту позволяет эффективно использовать ее для охлаждения основания объектов. Например, в случае дорожного полотна, охлаждение ведется от подошвы насыпи и оттаивание многолетнемерзлых грунтов исключается, что предупреждает просадки железнодорожного полотна. Это важная особенность гравитацонно-капиллярной тепловой трубы достигается благодаря выполнению фитиля в виде покрытия из наночастиц и стальной винтовой проволоки, увеличивающего поверхность трубы, смоченной теплоносителем, на участке испарения. Такое выполнение устройства позволяет пропускать только холод и кроме того за счет действия капиллярных сил обеспечивая движение конденсата на участке испарения при любом его наклоне к горизонту. В охлаждающем устройстве для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов по п. 1, для увеличения площади, покрытой жидким теплоносителем, реализована интенсификация теплообмена с помощью покрытия из наночастиц и стальной винтовой проволоки. Метод интенсификации выбран на основании экспериментальных данных, полученных на модели слабонаклонного охлаждающего устройства, представленых на Фиг. 3 распределение высоты подъема жидкости по длине охлаждающего устройства для 4-х вариантов поверхности и разных углов наклона к горизонту.
Устройство работает следующим образом. В тепловой трубе происходят следующие процессы циркуляции теплоносителя: испарение жидкой фазы теплоносителя 6 в зоне нагрева 2 при подводе тепла от грунта; перенос пара 5 в зону с пониженным давлением - зону теплоотвода и конденсации 1; конденсация пара 5 в зоне теплоотвода; и скопление его в виде жидкости 6 в зоне испарения, подача жидкости 6 из зоны конденсации 1 в зону испарения 2 под действием капиллярных и массовых сил.
При этом стекание конденсата 6 по внутренней стенке участка конденсации 1 может происходить в виде пленки, так и в виде струи или струй.
Для начала работы тепловой трубы, необходимо создать разницу температур между участком конденсации и испарения. Зимой это реализуется за счет того, что температура участка испарения 2 выше температуры участка конденсации 1. Летом указанный процесс прекращается, поскольку температура участка конденсации 1 становится выше температуры участка испарения 2. Перенос жидкой фазы теплоносителя в направлении от испарителя к конденсатору отсутствует.
Конденсат 6 с помощью фитиля 4 равномерно распределяется по внутренней поверхности участка 2 и под действием гравитационных и капиллярных сил перемещается к его низу.
Фитиль 4 работает следующим образом. Затопление части фитиля стекающим конденсатом 6 приводит к тому, что кривизна менисков жидкости в этой области фитиля, как правило, ничтожна по сравнению с соответствующей кривизной в остальных его частях. Различие кривизны менисков и, следовательно, капиллярных давлений в этих двух зонах фитиля приводит к появлению перепада давлений, который является движущим напором при перекачке жидкости по фитилю из зоны затопления в зону испарения. Стальная винтовая проволока выполняет роль удерживающей гидрофильной структуры для удержания больших капель конденсата, которые оказываются на верхней поверхности тепловой трубы, так как капиллярные силы не достаточно высоки, что бы хладагент поднимался в верхнюю часть устройства.
При увеличении наклона участка испарения 2 к горизонту влияние гравитационных сил уменьшается, однако капиллярные силы позволяют располагать участок испарения под углом 90° к вертикали. Это одно из важных преимуществ предлагаемого устройства по сравнению с известными. Таким образом, для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов предлагается гравитационно-капиллярная тепловая труба с фитилем из наночастиц и стальной винтовой проволоки, сочетающая достоинства гравитационных и капиллярных тепловых труб любой геометрии.