УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ПЛАСТИЧНО-МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ С КРУГЛОГОДИЧНЫМ РЕЖИМОМ РАБОТЫ
DEVICE FOR STABILISATION OF PLASTIC-FROZEN SOILS WITH YEAR-ROUND MODE OF OPERATION

Предлагаемое изобретение относится к области строительства, а именно к устройствам для охлаждения и замораживания грунта, используемым при строительстве сооружений, возводимых в районах распространения многолетнемерзлых грунтов.
7
Известно устройство для аккумуляции холода в основании сооружений, включающее частично размещенный в грунте и заполненный хладагентом герметичный трубчатый корпус, подземная часть которого является испарителем, а надземная - конденсатором, снабженным термоэлектрическим модулем, расположенным на продольной полке трубчатого корпуса. Наличие термоэлектрического модуля на полке корпуса позволяет исключить отепляющее воздействие устройства на замороженный грунт в теплый период года (патент РФ №2145989, оп. 27.02.2000, МПК C1 E02D 3/115). Данное техническое решение направлено на решение задачи круглогодичного замораживания грунта, используемого в качестве основания зданий и сооружений, возводимых в районах распространения многолетнемерзлых грунтов.
Недостатком этого устройства является большая высота конденсатора, не позволяющая использовать это устройство в проветриваемом подполье с низкой высотой, т.к. меньшие размеры конденсатора не обеспечивают необходимую теплопередачу от грунта к воздуху.
7
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является стабилизатор для пластично-мерзлых грунтов с круглогодичным режимом работы, в котором конденсатор снабжен П-образным стаканом, изготовленным из теплопроводного материала, внутренняя поверхность которого имеет конфигурацию, соответствующую конфигурации наружной поверхности конденсатора, установленным на верхнюю часть конденсатора, а термоэлектрические модули расположены на наружной поверхности П-образного стакана. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в повышении эффективности работы и расширении области применения (патент РФ №2231595, оп. 27.06.2004, МПК C1 E02D 3/115).
Недостатком этого устройства является недостаточно высокая эффективность теплопередачи от термоэлектрических модулей к поверхности конденсатора и охлаждающему воздуху.
Настоящие изобретение представлено двумя вариантами исполнения устройства для стабилизации пластично-мерзлых грунтов с круглогодичным режимом работы
Техническим результатом, обеспечиваемым каждым из вариантов исполнения, является повышение эффективности работы устройства и расширение области использования.
Технический результат достигается за счет того, что в первом варианте устройства для стабилизации пластично-мерзлых грунтов с круглогодичным режимом работы для аккумуляции холода в основании сооружений, включающем подземную и надземную части трубчатого герметичного корпуса, заполненного хладагентом, подземная часть которого является испарителем, а надземная - конденсатором, который снабжен полкой, имеющей расположенные на ее поверхности термоэлектрические модули в виде батареи элементов Пельтье, согласно изобретению устройство снабжено тепловой трубой, один конец которой, зона испарения, имеет полку, присоединенную к горячей поверхности термоэлектрических модулей, а другой конец, зона конденсации, имеет ребристую поверхность, причем ось зоны конденсации имеет угол φ наклона к горизонту от 0 до 90°.
Во втором варианте устройства для стабилизации пластично-мерзлых грунтов с круглогодичным режимом работы для аккумуляции холода в основании сооружений, включающем подземную и надземную части трубчатого герметичного корпуса, заполненного хладагентом, подземная часть которого является испарителем, а надземная - конденсатором, который снабжен полкой, имеющей расположенные на ее поверхности термоэлектрические модули в виде батареи элементов Пельтье, согласно изобретению устройство снабжено тепловой трубой, один конец которой, зона испарения, имеет полку, присоединенную к горячей поверхности термоэлектрических модулей, а другой конец, зона конденсации, имеет полку, на которой размещены радиаторы с установленными на них вентиляторами, причем ось зоны конденсации имеет угол φ наклона к горизонту от 0 до 90°.
2
2
Вышеуказанные преимущества заявленной конструкции устройства достигаются за счет того, что тепло от горячей поверхности термоэлектрических модулей к ребристой поверхности в первом варианте исполнения или к радиаторам, с установленными на них вентиляторами во втором варианте исполнения, передается присоединенной к ним тепловой трубой. Тепловая труба позволяет трансформировать высокую плотность теплового потока, поступающего в зону испарения за счет теплопередачи от горячей поверхности термоэлектрических модулей (коэффициент теплоотдачи до 5000 Вт/м·К), и передавать тепловой поток в зону конденсации, где тепловой поток с меньшей плотностью поступает на ребристую поверхность воздушного охлаждения и рассеивается в окружающую среду (коэффициент теплоотдачи порядка 20-30 Вт/м·К).
Благодаря заявленной совокупности существенных признаков достигается повышение эффективности работы устройства за счет улучшения теплопередачи от горячей поверхности термоэлектрических модулей к окружающему воздуху.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено устройство с вертикально расположенной зоной конденсации тепловой трубы, причем зона конденсации имеет ребристую поверхность для обеспечения воздушного охлаждения с помощью свободной конвекции; на фиг.2 изображено устройство с тепловой трубой, зона конденсации которой расположена под углом φ к горизонту; на фиг.3 изображено устройство с горизонтально расположенной зоной конденсации тепловой трубы, снабженной радиаторами, с установленными на них вентиляторами.
На фиг.1 изображено устройство для стабилизации пластично-мерзлых грунтов с круглогодичным режимом работы, содержащее подземную 1 и надземную 2 части трубчатого герметичного корпуса, заполненного хладагентом. Подземная часть 1 является испарителем, а надземная часть 2 - конденсатором. Конденсатор снабжен полкой 3, на которую устанавливаются холодной стороной термоэлектрические модули 4 в виде батареи элементов Пельтье. К горячей стороне термоэлектрических модулей подсоединяется полкой 5 зона испарения тепловой трубы 6, зона конденсации которой имеет ребра 7 и расположена вертикально, что соответствует значению угла φ, равному 90°.
На фиг.2 изображено устройство для стабилизации пластично-мерзлых грунтов с круглогодичным режимом работы, содержащее подземную 1 и надземную 2 части трубчатого герметичного корпуса, заполненного хладагентом. Подземная часть 1 является испарителем, а надземная часть 2 - конденсатором. Конденсатор снабжен полкой 3, на которую устанавливаются холодной стороной термоэлектрические модули 4 в виде батареи элементов Пельтье. К горячей стороне термоэлектрических модулей подсоединяется полкой 5 зона испарения тепловой трубы 6, зона конденсации которой имеет ребра 7 и расположена под углом φ к горизонтальной плоскости.
На фиг.3 изображено устройство для стабилизации пластично-мерзлых грунтов с круглогодичным режимом работы, содержащее подземную 1 и надземную 2 части трубчатого герметичного корпуса, заполненного хладагентом. Подземная часть 1 является испарителем, а надземная часть 2 - конденсатором. Конденсатор снабжен полкой 3, на которую устанавливаются холодной стороной термоэлектрические модули 4 в виде батареи элементов Пельтье. К горячей стороне термоэлектрических модулей подсоединяется полкой 5 зона испарения тепловой трубы 6, зона конденсации которой расположена горизонтально, что соответствует значению угла φ, равному 0°, и снабжена полкой 8, на которой расположены радиаторы 9, с установленными на них вентиляторами 10.
Устройство работает следующим образом.
В теплый период года, когда среднесуточная температура воздуха станет выше температуры грунта, включают термоэлектрические модули 4, и понижение температуры на поверхности полок 3 конденсатора 2 обеспечивает работу испарительно-конденсационного цикла хладагента и понижение температуры испарителя 1 и прилегающих к нему слоев грунта. Тепло, выделяющееся на горячей поверхности термоэлектрических модулей 4, передается из зоны испарения тепловой трубы 6 в зону конденсации тепловой трубы и с нее рассеивается в окружающую среду свободной конвекцией с ребер 7 (в первом варианте исполнения устройства) или с помощью вентиляторов 10, устанавливаемых на радиаторах 9 (во втором варианте исполнения устройства).
В холодный период года, когда среднесуточная температура воздуха ниже температуры грунта, термоэлектрические модули 4 отключают. Тепловой поток от испарителя 1 передается через конденсатор 2 и неработающие термоэлектрические модули 4, имеющие высокую теплопроводность, на тепловую трубу 6, а с нее рассеивается в окружающую среду с ребер 7 (в первом варианте исполнения устройства) или с помощью вентиляторов 10, устанавливаемых на радиаторах 9 (во втором варианте исполнения устройства).
За счет трансформации теплового потока, которая достигается использованием тепловой трубы, тепловой поток с площадок термоэлектрических модулей передается с минимальным термическим сопротивлением на поверхность воздушного охлаждения.
В результате испытаний опытных образцов установлено, что термическое сопротивление устройства стабилизации грунтов в теплый период года составляет 0,10÷0,15 К/Вт, в холодный период при неработающих термоэлектрических модулях - 0,15÷0,20 К/Вт, что позволяет получать и поддерживать замороженное состояние грунта при круглогодичном режиме эксплуатации.
Тепловая труба, присоединяемая к термоэлектрическим модулям, имеет разное исполнение зоны конденсации:
При использовании устройства на открытом пространстве целесообразно вертикальное расположение зоны конденсации тепловой трубы, для которого значение угла φ равно 90°.
При использовании устройства в условиях проветриваемого подполья и низкой высоты конденсатора замораживающего устройства зону конденсации тепловой трубы располагают в горизонтальном или наклонном положении.
Для уменьшения габаритов устройства при сохранении его эффективности зону конденсации тепловой трубы выполняют с применением радиаторов, охлаждаемых с помощью вентиляторов.
Таким образом, предлагаемая конструкция устройства позволяет повысить эффективность его работы за счет применения тепловой трубы при передаче тепла от горячей поверхности термоэлектрических модулей к окружающему воздуху и расширить область его использования за счет расположения тепловой трубы под требуемым углом наклона к горизонту.