ФУНДАМЕНТ СООРУЖЕНИЯ
STRUCTURE FOUNDATION

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при сооружении свайных фундаментов в мерзлых грунтах.
Известны винтовые сваи, включающие заостренный снизу ствол и прикрепленную в его нижней части винтовую лопасть с возможностью продольного смещения (а.с. СССР №172237,1962 г.).
Недостаток этих свай заключается в том, что при повышении температуры грунта выше 0°C за счет повышения температуры атмосферного воздуха либо за счет выделения тепла от установленного на сваях сооружения ухудшается несущая способность свай, установленных в мерзлых грунтах.
Известны сваи (а.с. СССР №679695, 1979 г.) - ближайший аналог, содержащие стволы и винтовые лопасти, снабженные электронагревательным элементом для уменьшения усилия при погружении (ввинчивании) свай в грунт.
Такие сваи имеют тот же недостаток, что и приведенный выше аналог, а также при ввинчивании свай в грунт возникает возможность перекручивания и обрыва проводников, подающих напряжение к электронагревательным элементам.
Целью предлагаемого изобретения является захолаживание свайного фундамента, размещенного в мерзлых грунтах при повышении температуры грунта выше 0°C за счет использования холодильной машины, работающей от ветродвигателя и подающей в ствол сваи хладагент. Это обеспечивает более стабильную и высокую несущую способность сваи, а также возможность экономии потребления электроэнергии при захолаживании фундамента с помощью холодильной машины, приводимой в действие энергией ветра.
Поставленная цель достигается за счет того, что фундамент сооружения, образованный винтовыми сваями, в котором каждая свая включает заостренный снизу и заглушенный сверху ствол и установленные на нем в нижней части винтовые лопасти, снабжена соосно закрепленной внутри каждого ствола трубой, нижний торец которой открыт, а верхний торец заглушен, трубы выполняют роль испарителя холодильной машины (ХМ), в состав которой входят также компрессор и теплообменник, выполненный из оребренных трубок и служащий конденсатором ХМ, а в качестве двигателя компрессора используется роторный ветродвигатель с вертикальным валом (например, по патенту РФ №2210000, 2007 г.), кинематически связанный с компрессором с помощью редуктора и установленной на валу ветродвигателя электромагнитной тормозной муфты (ЭТМ), электрически связанной с термореле, чувствительный элемент которого размещен в грунте вблизи свай фундамента, термореле включено в цепь электропитания ЭТМ, при этом закрепленные соосно в стволах свай трубы и сами стволы в верхних частях, расположенных выше поверхности грунта, снабжены штуцерами для присоединения с помощью трубок к коллекторам, один из которых, соединенный трубками с испарителем, присоединен трубкой к нагнетательному патрубку компрессора, а другой коллектор, соединенный трубками со стволами, присоединен трубкой к входному патрубку конденсатора (теплообменника), выходной патрубок которого также с помощью трубки присоединен к входному (всасывающему) патрубку компрессора.
Таким образом, при реализации предлагаемого технического решения достигается технический результат, заключающийся в том, что для захолаживания грунта, в котором сооружен свайный фундамент, используется энергия ветра, приводящего в действие ХМ (по сигналу от термореле), компрессор которой закачивает через коллектор в открытые снизу трубы, закрепленные в стволах свай, хладагент, который охлаждает ствол и грунт вокруг ствола, обеспечивая более стабильную и высокую несущую способность фундамента в случае прогрева грунта, вызванного потеплением наружной атмосферы, либо за счет выделения тепла от сооружения. Прошедший через стволы свай хладагент поступает через другой коллектор в конденсатор (теплообменник) и далее - к всасывающему патрубку компрессора. При этом нет потребления электроэнергии от электрической сети, т.к. компрессор приводится в действие ветродвигателем. Для электропитания электромагнитной муфты (ЭТМ) необходимо 24 вольт постоянного тока, который можно получить либо от аккумулятора, либо от выпрямителя напряжения переменного тока 220 вольт (источник постоянного тока в предмет изобретения не входит и в формуле не представлен).
Новизна решения заключается в том, что для захолаживания грунта используется ХМ, приводимая в действие энергией ветра путем использования роторного ветродвигателя с вертикальным валом, при этом осуществляется кинематическая связь ветродвигателя с компрессором с помощью редуктора и электромагнитной тормозной муфты, включающей эту связь по сигналу термореле, чувствительный элемент которого размещен в грунте вблизи свай фундамента. При этом в качестве испарителя ХМ используются трубы, смонтированные внутри стволов свай, имеющие открытый снизу торец, конденсатором служит теплообменник, охлаждаемый атмосферным воздухом.
Использование в предлагаемом техническом решении ветродвигателя с вертикальным валом по патенту РФ №2210000 для обеспечения работы компрессора ХМ вызвано более равномерной и более эффективной работой такого ветродвигателя. Кроме того, этот ветродвигатель не требует установки его на значительной высоте над уровнем земли, он не имеет значительных по размерам лопастей и может работать при любых скоростях ветра и любом его направлении.
На чертеже представлена схема размещения в фундаменте сооружения винтовых свай и подключения холодильной машины к сваям и закрепленным внутри свай трубам (испарителям).
На чертеже изображены стволы винтовых свай 1 с заостренными нижними концами 2 и заглушенными верхними концами 3. Стволы свай 1 снабжены в нижней части винтовыми лопастями 4. Внутри стволов свай 1 соосно закреплены трубы (испарители) 5 с открытыми нижними торцами 6 и заглушенными верхними торцами 7. Трубы 5 прикреплены к внутренней поверхности стволов свай 1 крепежными элементами 8 (например, уголками). Крепежные элементы в предмет изобретения не входят и в формуле не представлены. Трубы 5 снабжены штуцерами 9, а стволы свай 1 - штуцерами 10 и 11 для обеспечения возможности подключения к холодильной машине, в состав которой входят: компрессор 12, теплообменник (конденсатор) 13. Компрессор 12 соединен кинематически с роторным ветродвигателем 14 с вертикальным валом 15 через редуктор 16 (с конической передачей вращения от вертикального вала 15 к горизонтальным валам 19 и 20, которая в предмет изобретения не входит и в формуле не представлена). На вертикальном валу 15 ветродвигателя 14 закреплена электромагнитная тормозная муфта (ЭТМ) 17, которая при ее включении осуществляет кинематическую связь вала 15 с вертикальным валом 18 редуктора 16, горизонтальный вал 19 которого соединен с валом 20 компрессора 12. Электромагнитная тормозная муфта 17 соединена электрически с термореле 21, включенным в цепь электропитания муфты, чувствительный элемент 22 термореле размещен в грунте вблизи свай 1. Коллектор 23 предназначен для подключения к выходному (нагнетательному) патрубку 24 компрессора 12 труб 5 (испарителей), а коллектор 25 служит для подключения стволов свай 1 к теплообменнику (конденсатору) 13 и от него к входному (всасывающему) патрубку 26 компрессора 12. Подключение труб 5 и стволов свай 1 к коллекторам 23 и 25 соответственно и коллекторов к компрессору 12 осуществляется трубками 27. Для электропитания ЭТМ 17 необходимо напряжение 24 В постоянного тока, которое может быть обеспечено либо аккумулятором, либо выпрямителем переменного тока. Источник питания для ЭТМ 17 в предмет изобретения не входит и в формуле и на чертеже не представлен.
Представленная на чертеже схема работает следующим образом. Винтовые сваи 1 с закрепленными на них лопастями 4 и штуцерами 10 и 11 ввинчиватся в грунт. Затем в стволах свай соосно закрепляются с помощью крепежных элементов 8 трубы 5, в которых предварительно закреплены штуцеры 9. Штуцеры 9 и 10 соединяются друг с другом трубками (аналогичными трубкам 27). На верхние концы свай 1 и верхние торцы труб 5 привариваются заглушки 3 и 7. Штуцеры 10 и 11 присоединяются трубками 27 к коллекторам 23 и 25 соответственно. Вблизи свай 1 в грунте устанавливается чувствительный элемент 22 термореле 21, которое электрически включается в цепь электропитания ЭТМ 17. Трубками 27 осуществляются все гидравлические соединения в соответствии со схемой чертежа. При повышении температуры грунта выше 0°C срабатывает термореле 21, чувствительный элемент 22 которого размещен в грунте. Термореле 21 включает цепь электропитания электромагнитной тормозной муфты (ЭТМ) 17, которая в результате замыкает кинематическую связь вертикального вала 15 ветродвигателя 14 с вертикальным валом 18 редуктора 16, горизонтальный вал 19 которого связан кинематически с валом 20 компрессора 12, который начинает работать и в результате сжатия в компрессоре холодные пары хладагента подаются через нагнетательный патрубок 24 по трубке 27 к коллектору 23 и от последнего пары хладагента поступают по трубкам 27 через штуцера 10 и 9 к трубам 5, выполняющим роль испарителя. Через открытые торцы 6 труб 5 хладагент поступает в стволы свай 1 и поднимается по ним вверх, охлаждая сваи 1 и окружающий их грунт, что усиливает несущую способность свай 1. Из стволов свай 1 хладагент поступает через штуцеры 11 по трубкам 27 к коллектору 25, а от него - на вход теплообменника 13, охлаждаемого окружающим воздухом. Сконденсированный в теплообменнике 13, выполняющем роль конденсатора, сжиженный конденсат с выхода теплообменника 13 поступает к входному патрубку 26 компрессора 12, и весь цикл повторяется до тех пор, пока грунт не охладится до температуры ниже 0°C, при этом термореле 21 разомкнет цепь питания ЭТМ 17 и передача вращения от вала 15 ветродвигателя 14 к вертикальному валу 18 редуктора 16 и далее к горизонтальному валу 19 и к валу 20 компрессора 12 прекратится. Ветродвигатель 14 при этом будет работать без нагрузки до последующего срабатывания термореле 21. Следует отметить, что процесс охлаждения свай и грунта осуществляется без потребления электроэнергии от сети за счет работы роторного ветродвигателя 14 с вертикальным валом 15; ветродвигатель 14 работает даже при слабом ветре (в соответствии с описанием, приведенным в патенте РФ №2210000).
Таким образом, предлагаемая конструкция фундамента сооружения, образованного винтовыми сваями, использующими для повышения несущей способности охлаждение грунта с помощью холодильной машины, работающей в автоматическом режиме и приводимой в действие энергией ветра, позволяет усиливать несущую способность винтовых свай при прогреве грунта до температуры выше 0°C без использования электроэнергии от электросети.
Предлагаемая конструкция фундамента сооружения, образованного винтовыми сваями, и схема подачи хладагента в сваи являются промышленно применимыми, так как не содержат в себе элементов, не изготовляемых промышленностью; ветродвигатели по патенту РФ №2210000 мощностью до 10 кВт изготовляются, что следует из интервью патентообладателя К. Туркина, приведенного в статье в газете «Санкт-Петербургские ведомости» от 03.12.2012 г. «Электричество из молекулы».