СЕЗОННОДЕЙСТВУЮЩАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЙ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Полезная модель относится к области строительства, а именно к устройствам для охлаждения и замораживания грунтов, используемым при строительстве инженерных сооружений в районах вечной мерзлоты.
Известна сезоннодействующая установка для охлаждения вечномерзлых грунтов оснований инженерных сооружений (Гапеев С.И. Укрепление мерзлых оснований охлаждением. Л., Стройиздат, 1969, с. 18). Установка представляет из себя вертикально или наклонно погруженную в грунт трубу с замкнутыми торцами и имеющую сквозную по всей высоте полость, заполненную хладагентом, надземная часть которой расположена выше, а подземная - ниже естественной поверхности грунта.
Достоинством данной конструкции является простая технология изготовления. Недостатком является слабая теплопередача холода из окружающей среды к хладагенту через стенки трубы в надземной части конструкции и связанные с этим увеличение размеров надземной части и повышенные затраты материала.
Известна сезоннодействующая установка для охлаждения вечномерзлых грунтов оснований инженерных сооружений (Макаров В.И. Термосифоны в северном строительстве. Новосибирск., Наука, 1985, с. 48). Установка представляет из себя вертикально или наклонно погруженную в грунт трубу с замкнутыми торцами и имеющую сквозную по всей высоте полость, надземная часть которой расположена выше, а подземная - ниже естественной поверхности грунта, при этом полость заполнена хладагентом, а надземная часть содержит ребра жесткости, примыкающие к внешней поверхности трубы.
В данной конструкции сделана попытка увеличить эффективность теплопередачи путем установки жестких ребер к надземной части и снизить затраты материала. Недостатком является то, что ребра, расположенные с внешней стороны надземной части, не изменяют температуры внутренних стенок и снижают коэффициент теплоотдачи на границе с окружающей средой.
Задачей данного технического решения является снижение расхода металла в надземной части конструкции путем увеличения ее эффективности и последующего снижения размеров.
Для достижения указанного технического результата сезоннодействующая установка для охлаждения вечномерзлых грунтов оснований инженерных сооружений содержит вертикально или наклонно расположенную трубу с замкнутыми торцами и имеет сквозную по высоте и заполненную хладагентом полость, надземная часть которой расположена выше, а подземная - ниже естественной поверхности грунта, при этом полость заполнена хладагентом, а надземная часть содержит ребра, вплотную примыкающие к внутренней стороне стенки трубы.
Кроме того сезоннодействующая установка для охлаждения вечномерзлых грунтов оснований инженерных сооружений, может содержать ребра, вплотную примыкающие к стенке трубы и расположенные с внешней стороны трубы в пределах подземной части установки.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где
на фиг. 1 приведена схема устройства и работы установки,
на фиг. 2 - температурное поле по сечению надземной части установки в аналоге,
на фиг. 3 - то же, в прототипе,
на фиг. 4 - то же, в предлагаемом техническом решении.
в
н
Сезоннодействующая установка для охлаждения вечномерзлых грунтов оснований инженерных сооружений (СОУ) содержит вертикально или наклонно расположенную трубу высотой h (фиг. 1), которая имеет надземную часть 1 высотой h, расположенную выше естественной поверхности 2 грунта, и подземную часть 3 высотой h, расположенную ниже естественной поверхности 2 грунта. Труба содержит сквозную по высоте полость 4, которая с верхнего торца закрыта крышкой 5, а с нижнего - дном 6. К стенкам трубы вплотную примыкают ребра: в надземной части ребра 7, расположенные с внутренней стороны стенок, а в подземной части - ребра 8, расположенные с внешней стороны стенок. Ребра 9 могут быть расположены также и на крышке 5 с внутренней стороны, при этом верхняя зона надземной части может быть развита в горизонтальном направлении. Полость 4 заполнена хладагентом. В качестве хладагента может быть либо воздух, либо керосин, либо газовая смесь, изменяющая свое фазовое состояние при изменении температуры. При этом глубина заложения установок (подземная часть 3) колеблется от 5 до 25 м, а высота надземной части обычно составляет 1-3 м. Диаметр СОУ существенно зависит от вида хладагента: в парожидкостных установках он равен 4-5 см, в жидкостных 10-30 см, в воздушных - 50-300 см.
Для упорядочения конвективных потоков полость 3 может быть оборудована различными дополнительными вставками, например, коаксиальной вставкой, представляющей собой установленную внутри трубу, имеющую меньший, чем диаметр основной трубы.
СОУ работает следующим образом.
1
2
3
В зимний период надземная часть СОУ охлаждается за счет низкой температуры наружного воздуха: поток холода q поступает в полость. За счет разности веса холодного и теплого воздуха в полости начинается конвекция: поток холода q поступает в подземную часть полости. Далее холод уходит к грунт (поток q).
1
2
3
3
2
2
В установившемся режиме q=q=q (1), при этом формирование каждого потока происходит по своим законам, а равенство (1) определяется самым слабым звеном. Поток q определяется высотой подземной части, диаметром СОУ и теми условиями, которые создаются на границе теплообмена СОУ и грунта. Эти условия в данном случае улучшаются устройством ребер 8. Увеличению потока q посвящено много работ. В частности, существенно увеличивает q устройство коаксиальной вставки.
1
Предлагаемое техническое решение ставит целью увеличение q. Известно, что увеличение мощности радиатора в жилых домах связано с устройством оребренной поверхности трубопроводов. Но ребра расположены с той стороны, которая нагревается, т.е. со стороны, на которую влияют. В существующих теплообменниках СОУ зачастую все делается наоборот - ребра устанавливаются со стороны, которая сама влияет. В этом случае устройство ребер не только не дает пользы, а может сказываться вредно, поскольку уменьшается коэффициент теплоотдачи за счет снижения скорости ветра в зоне теплообменника, его засорения, покрытия инеем или снегом и т.п.
2
2
На фиг. 2, 3, 4 приведены результаты математического моделирования процесса передачи холода в аналоге, прототипе, предлагаемом техническом решении. Для сопоставления эффективности различных вариантов было осуществлено математическое моделирования процессов и проведены расчеты на ЭВМ. Во всех трех случаях принималось одно и то же время охлаждения хладагента внутри полости надземной части СОУ. При отсутствии ребер (фиг. 2) охлаждение до температуры t осуществлялось в довольно узком кольце. Меньшее охлаждение, т.е. до температуры t осуществлялось в кольце также незначительной величины. В случае наличия ребер снаружи (фиг. 3) внутри ничего не менялось. Внешние ребра никак не влияли на внутреннюю полость. В случае установки ребер внутри эффект резко возрастал (в данном случае в 2-3 раза). Сущность процесса здесь следующая: температуропроводность стали значительно выше температуропроводности хладагента. Поэтому внутренние ребра являются «мостиками холода» внутрь полости.
Эффективность предложенного технического решения определяется снижением расхода металла на надземную часть, поскольку можно без всякого ущерба убрать внешние ребра, а постановка внутренних ребер позволит уменьшить высоту надземной части.