УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ГРУНТА С ЛОКАЛЬНОЙ ЗОНОЙ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ

Полезная модель относится к области строительства и эксплуатации сооружений в районах со сложными инженерно-геокриологическими условиями, а именно к термостабилизации многолетнемерзлых и слабых грунтов.
Известны устройства для охлаждения грунта (термостабилизаторы) выполненные в виде гравитационной тепловой трубы, содержащей герметичный частично заполненный теплоносителем корпус с зонами испарения, конденсации и транспортной зоной (Абросимов А., Залетаев С. Охладители грунта. Конструкции и методы расчета, Palmarium Academic Publishing, 2012). Зона испарения (зона подвода тепла) располагается в грунте, а зона конденсации (зона отвода тепла) и транспортная зона находятся снаружи, на воздухе. Транспортная зона начинается на уровне грунта и заканчивается на входе в зону конденсации. Корпус охладителя в зоне испарения и транспортной зоне выполнен обычно в виде гладкостенной цилиндрической трубы и может быть обозначен общим термином испаритель. В зоне конденсации труба имеет оребрение для увеличения площади теплообмена с окружающим пространством, и эта часть может быть названа в целом конденсатором. В верхней части конденсатора обычно располагается клапан, служащий для вакуумирования внутреннего объема корпуса, заправки теплоносителя, удаление неконденсированных газов, измерения давления и т.д.
К недостаткам таких устройств относятся тепловые потери в транспортной зоне и рассеяние тепла в верхних слоях грунта, что в целом приводит к снижению эффективности работы термостабилизатора.
Для решения этой задачи используют внешнюю изоляцию трубы в транспортной зоне или конструкции охладителей, в которых отсутствует контакт конденсата со стенкой корпуса в транспортной зоне, так называемые охладители анкерного типа (патенты РФ №2327940, 2349852). У охладителя анкерного типа конденсат стекает вниз по приосевой трубе и не контактирует с ее стенкой. При этом конденсат попадает в зону избытка конденсата, имея минимальную температуру. По этой же причине в нижней части охладителя достигается наибольший теплосъем с грунта. Грунт вблизи торца охладителя имеет минимальную температуру и образует примороженную глыбу («якорь»).
Другая проблема использования термостабилизатора возникает при его работе в сложных геокриологических условиях на многослойных неоднородных грунтах, когда возникает необходимость различной степени промораживания грунта на разной глубине.
Например, наличие на определенной глубине глинистого насыщенного влагой слоя при его замораживании может приводить к пучению грунта и выпиранию термостабилизатора.
Отчасти эта задача может решаться путем установки на соединительном теплопроводе (в транспортной зоне) теплоизоляционного покрытия и теплового разъема или выполнение теплопровода из термоизоляционного материала (патент РФ №2083762). Это предотвращает рассеивание теплового потока в верхних слоях грунта и устраняет тепловые потери конденсата на его пути до мелиорируемой зоны. Для регулирования глубины заложения грунтового теплообменника (зоны мелиорации), теплопровод может быть выполнен в виде гофрированного рукава. Изменение длины теплопровода при этом осуществляется путем его продольного сжимания или растягивания с последующей фиксацией. Теплопровод может быть также выполнен в виде гибкого в поперечном сечении рукава, изгибаемого при установке.
Такое решение является технологически сложным (поскольку предусматривает герметичное соединение разнородных материалов), не позволяет обеспечить достаточную надежность и эффективность работы устройства. Наличие в устройстве для охлаждения грунта участков различного диаметра, к тому же не обладающих достаточной жесткостью, будет вызывать трудности при его установке в скважину. Кроме того, устройство предусматривает термоизоляцию только верхних, по отношению к испарителю, слоев грунта (хотя на практике зачастую требуется чередование зон повышенного и пониженного охлаждения грунта).
Устройство, выполненное в соответствии с заявляемой полезной моделью, по технологичности исполнения, простоте транспортировки и установки в скважине не уступает известным охладителям грунта, работающим по принципу гравитационной тепловой трубы (Абросимов А., Залетаев С. Охладители грунта. Конструкции и методы расчета, Palmarium Academic Publishing, 2012). При этом оно превосходит их по эффективности работы и позволяет формировать заданную карту распределения температурных полей в грунте.
Техническим результатом от использования полезной модели будет повышение эффективности работы термостабилизатора по охлаждению грунта и появление возможности создания в грунте температурного поля заданной конфигурации.
Заявленный результат достигается тем, что термостабилизатор содержит гравитационную тепловую трубу, имеющую герметичный, выполненный с возможностью заправки теплоносителем, корпус, включающий конденсатор и испаритель, и, по крайней мере, на части поверхности испарителя нанесен теплоизолирующий слой, толщина которого не превышает 3 мм и теплопроводность его материала не выше 0,01 Вт/м°С.
Толщина слоя покрытия должна быть минимально необходимой, чтобы с одной стороны не возникало дополнительных препятствий при заведении испарителя в скважину, с другой была бы обеспечена достаточная термоизоляция. Характер слоев грунта, глубина их залегания на строительной площадке и место расположения термостабилизаторов определяется до начала строительства при геологоразведочных работах. Соответствующее теплоизолирующее покрытие в требуемых местах испарителя могут формировать на заводе (изготавливая оборудование для конкретной стройплощадки), или на месте перед установкой термостабилизатора.
Покрытие обычно формируют в виде колец. Само покрытие должно обладать хорошей адгезией к различным материалам (алюминиевые сплавы, сталь), быть износостойким, отличаться химической инертностью и гидрофобностью. Для этих целей предпочтительно использовать жидкие керамические теплоизоляции, например: КОРУНД и его модификации (патент РФ №2502763). Такое покрытие обладает теплопроводностью до 0,002 Вт/м°С, и достаточная толщина слоя может быть менее 1,5 мм. В описываемой полезной модели могут быть использованы также и другие материалы, обладающие подходящими свойствами (например, материалы, описанные в патентах РФ №2251563, 2311397, 2374281). Аналогичные покрытия могут использоваться для термоизоляции испарителя в транспортной зоне и в верхних слоях грунта. Все участки термоизоляционного покрытия на испарителе предпочтительно наносить в едином технологическом цикле из одинаковых материалов. Однако при необходимости покрытия на различных участках испарителя могут отличаться друг от друга по толщине и/или теплопроводности.
Заявляемая полезная модель может быть использована с термостабилизаторами (охладителями грунта в виде гравитационной тепловой трубы) различных видов: со стальным маломерным испарителем, с испарителем с сильфонными соединениями, с длинномерным испарителем из легкодеформируемых алюминиевых сплавов, с однотрубным и многотрубным конденсатором, с коллекторным испарителем и т.д.
Сущность заявляемой полезной модели иллюстрируется следующими чертежами:
На Фиг. 1 представлен термостабилизатор с термоизоляцией транспортной зоны и определенных участков зоны испарения.
На Фиг. 2 представлен термостабилизатор с тройным звездчатым конденсатором, заглубленным в грунт.
Термостабилизатор (охладитель грунта) представляет собой протяженный герметичный заправленный жидким теплоносителем корпус (Фиг. 1), имеющий зону 1 испарения (подвода тепла), зону 2 конденсации (отвода тепла) и транспортную зону 3 между ними. Зона подвода тепла 1 располагается в грунте 4, зона отвода тепла 2 и транспортная зона 3 находятся на воздухе, причем последняя начинается на уровне грунта и заканчивается на входе в зону конденсации.
Конструктивно термостабилизатор, выполненный в соответствии с заявляемой полезной моделью, обычно содержит: испаритель 5, выполненный в виде гладкостенной цилиндрической трубы, в нижней части которой находится жидкий теплоноситель 6. Испаритель устанавливают в зоне 1 и зоне 3. В зоне 2 располагается конденсатор 7, имеющий оребрение для увеличения площади теплообмена. В верхней части конденсатора обычно располагается клапан 8 для вакуумирования внутреннего объема корпуса, заправки теплоносителя, удаление неконденсированных газов, измерения давления и т.д.
Испаритель в транспортной зоне 3 может иметь теплоизолирующее покрытие 9 для предотвращения там паразитных тепловых потерь и натекания тепла в зону 1. Аналогичное покрытие 9 располагается на испарителе в зоне глинистых грунтов 10, не требующих промораживания. Поскольку в этих местах при стекании конденсата не происходит его нагрев, то попадая в зону избытка конденсата, он имеет меньшую температуру по сравнению с обычными охладителями грунта. По этой же причине на открытых участках испарителя достигается больший теплосъем с грунта, т.е. повышается его эффективность. Предотвращение пучения грунта за счет формирования определенного распределения температур придает дополнительную устойчивость положению термостабилизатора и обеспечивает надежность в его работе.
На Фиг. 2 представлен термостабилизатор, выполненный из легкодеформируемых алюминиевых сплавов. Конструктивные элементы устройства аналогичны описанным выше. При этом конденсатор 7 изготовлен по схеме звезда и состоит из трех оребренных труб 11. Нижняя труба имеет большую длину, располагаясь частично в транспортной зоне, и заглубляется в грунт не менее чем на 20 см. Такая конструкция позволяет при сохранении эффективности конденсации обеспечить требуемую жесткость фиксации термостабилизатора и его устойчивость к изгибающим нагрузкам.
При необходимости нижняя часть конденсатора в транспортной зоне и в грунте может быть также покрыта теплоизолирующим слоем, для предотвращения тепловых потерь. Теплоизолирующее покрытие 9 располагается на испарителе на требуемой глубине в зоне глинистых грунтов 10.
Пример реализации
Для осуществления заявляемой полезной модели был использован стабилизатор пластичномерзлых грунтов комбинированный (СПМГ(К)-22000). Его общая длина составляла 24500 мм, при длине испарителя 22000 мм. Диаметр испарителя была 30 мм. Конденсатор представлял собой одиночную оребреную трубу высотой 1500 мм и внешним диаметром 72 мм. Испаритель и конденсатор были изготовлены из легкодеформируемого алюминиевого материала. При установке термостабилизатора высота транспортной зоны составляла 1 м. Конденсатор дополнительно фиксировался посредством кронштейна. Испаритель в транспортной зоне имел покрытие жидкой керамической теплоизоляцией. Аналогичное покрытие было нанесено на глубине залегания испарителя 6 и 11 м в виде полосы шириной 85 и 120 см соответственно. Выбор мест расположения покрытия определялся по предварительным геологоразведочным изысканиям.
Жидкое керамическое теплоизоляционное покрытие является композицией, состоящей из акрилового связующего и керамических сверхтонких сфер с разряженным воздухом. Используется оно в жидкой консистенции и наносится послойным распылением через форсунку. Рабочий диапазон температур для такого покрытия находится от - 60 до +250°С. Толщина жидкого слоя составляет до 0,5 мм (0,3-0,4 мм при высыхании). Время сушки одного слоя при температуре 20°С и влажности 60% составляет до 24 часов. В настоящем устройстве использовалось 4 слоя общей толщиной 1,6 мм. Теплопроводность материала составляла от 0,0012 до 0,0016 Вт/м°С. Для определения температурного поля в грунте вдоль поверхности испарителя располагались термодатчики.
Проведенные натурные испытания показали соответствие карты температурных полей в грунте расчетным значениям, отсутствие выпирающих напряжений, действующих на термостабилизатор и повышение эффективности его работы (до 15%). Таким образом, заявляемая полезная модель может быть рекомендована для термостабилизации сложных разнородных грунтов.