АВТОНОМНОЕ ОХЛАЖДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
INDEPENDENT COOLING UNIT

Изобретение относится к области строительства в условиях вечной мерзлоты и может применяться как термостабилизатор грунтов для защиты от деградации мерзлого основания строительных объектов таких как дороги, жилые и промышленные сооружения.
В районах распространения вечной мерзлоты после завершения строительства построенный объекта зачастую возникает необходимость в мероприятиях по его сохранению. Это связано с тем, что после постройки объекта изменился тепловой баланс грунтов, а территории застройки к новым условиям ещё не адаптировалась. Именно в начальный период эксплуатации многократно возрастает вероятность возникновения деформации дорог и инфраструктурных объектов от деградации мерзлого основания. Нарушение мохового и растительного покрова, и как следствие глубины сезонного протаивания мерзлоты, приводит к резкому снижению несущей способности грунтов основания, а порой и разжижению целых участков. Это оказывает пагубное влияние на построенные дороги, здания и сооружения, ухудшается их устойчивость, повышается деформативность грунтового основания, что может привести к потери устойчивости основания зданий, или разрушению целых участков дорог. Особенно эти процессы опасны на косогорных участках, где имеется хоть небольшой уклон. В районах распространения вечной мерзлоты для предотвращения подобных явлений применяют термостабилизаторы различных видов.
В настоящее время термостабилизаторы грунтов представлены несколькими основными видами сезоннодействующих охлаждающих устройств (СОУ), из которых заявляемое в качестве изобретения устройство относится к горизонтальным естественно действующим трубчатым системам (ГЕТ). Предложенная система ГЕТ представляет собой проточное теплопередающее устройство, автоматически действующее в зимнее время за счет разницы давления в разных концах устройства и положительной разницы температур между грунтом и наружным воздухом. К преимуществам ГЕТ относится то, что они не требуют источников питания, так как работают от силы ветра. Автономность работы не требует постоянного обслуживания. СОУ типа ГЕТ имеют широкий круг применения (дороги, дома, отдельно стоящие сооружения и так далее). Также к преимуществам ГЕТ можно отнести высокий КПД (коэффициент полезного действия) и простоту конструкции, они не имеют сложных механизмов и узлов.
Известна насыпь на сильнольдистых вечномерзлых грунтах [1] содержащая охлаждающую систему в виде полотнища с расположенными внутри него каналами. Полотнище с каналами может быть выполнено в виде сетки. Отверстия каналов, расположенные по краям полотна, соединены с поперечной воздухозаборной трубкой. Охлаждающая система выполнена в виде ряда бухт, состоящих из спирально закрученных полотнищ или сеток с каналами и установленных поперек оси трассы дороги. Охлаждающая система может быть выполнена комбинированной, по крайней мере, из двух слоев, из которых нижний состоит из бухт, а верхний - из полотнищ с каналами или трубками. Недостатком такого решения по охлаждению насыпи состоящее из труб разных диаметров является то, что охлаждающая система укладывается в нижней части насыпи, которая зимой заносится снегом и поступление холодного воздуха прекращается. Находясь в теле насыпи, трубы могут закупориваться конденсатом и закрыть прохождение холодного воздуха. Помимо этого, множество труб разных диаметров существенно усложняют устройство охлаждения и требует заводского изготовления.
Известно устройство активной вентиляции и понижения температуры прямого всасывания, применимое к насыпи на многолетней мерзлоте [2, 3, 4] предназначенное для активного (принудительного) сезонного охлаждения грунтов основания и тела насыпи в зимнее время и содержит вентиляционную трубу, аспирационный вентилятор, пустотелую колонну, загонное устройство и устройство преобразования энергии ветра.
К недостаткам известного устройства относится то, что оно обладает сложной конструкцией и большими массогабаритными параметрами. Помимо этого, устройство имеет движущиеся части, которые на северных широтах быстро покрываются льдом и заклинивают. Также к недостаткам устройства можно отнести сложность конструкции вентиляционного канала, который будет собирать конденсат и замерзать внутри, закупоривая трубу.
Известна низконасыпная конструкция земляного полотна с вентиляционной трубой в районах распространения вечной мерзлоты [5, 6] в которую укладывается полая труба, со свободными концами, с загибом внутрь основания насыпи, служащая охладителем.
К недостаткам такого решения можно отнести то, что подобного устройства охладитель имеет низкий коэффициент полезного действия (КПД), так как воздух застаивается внутри. Концы трубы расположены низко и не защищены от заноса снегом, что ведет к прекращению работы устройства.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению (его прототипу) является автоматическая ветроулавливающая и вытяжная вентиляционная труба дорожного основания в районе вечной мерзлоты [7], в которой применяется тот же принцип охлаждения грунта путем прогона холодного воздуха через трубу, которая уложена в нижней части насыпи. Известное техническое решение имеет трубу Z - образной формы, нижний конец которой оборудован обратным клапаном, находится на другой стороне насыпи и является входом наружного холодного воздуха. Другой конец трубы является вытяжкой, которая возвышается над нижней частью и на конце имеет раструб на поворотной основе. Для удержания раструба по ветру, над ним прикреплен флюгер. Устройство начинает работать, когда ветер дует со скоростью не менее 5-7 м/сек. Ветер, проходя по раструбу, огибает его и на выходе создает тягу, которая передается по всей длине трубы и вызывает всасывание воздуха через входное отверстие. Под силой тяги открывается клапан и воздух попадает в трубу и выходит из раструба. Холодный воздух проходит по трубе и передает холод окружающему грунту охлаждая его. Таким образом, нижняя часть насыпи охлаждается и защищается от деградации (таяния). Однако, устройство имеет низкий КПД вследствие того, что нужен постоянный сильный ветер, чтобы создавать достаточную силу тяги, и чтобы холодный наружный воздух смог пройти от начала до конца. Так как холодный воздух тяжелый, он проходит медленно по трубе, соответственно и приводит меньше холода, а дни, когда ветер слабый или его нет, устройство практически не работает. Также недостатком известного устройства является то, что по всей длине оно имеет одинаковое сечение (диаметр), то есть воздух по всей длине проходи одинаковой скоростью, не расширяясь и не передавая весь холод стенкам трубы. Помимо этого, входное отверстие находится близко к земле, следовательно при снегопаде или метели оно сразу будет забиваться снегом, в результате чего перестанет работать. Потому данное устройство сможет работать только при отсутствии снега и не сможет работать весь сезон. Обратный клапан после мокрого снега или заморозков может примерзнуть и не откроется, полностью парализуя работу всего устройства. Устройство устанавливается в основание насыпи и может охлаждать только тело насыпи, имея радиус воздействия не более 1 метра, поэтому их приходилось устанавливать часто, что экономический не целесообразно. Данное решение применялось при строительстве Цинхай-Тибетской железной дороги и не нашло широкого применения. В летний период труба остается открытой и будет подсасывать теплый воздух, что приведет к оттаиванию грунта вокруг, сводя на нет ранее замороженный массив.
Задачей заявляемого изобретения является создание нового автономного охлаждающего устройства простой конструкции, для замораживания (охлаждения) многолетнемерзлых грунтов в зонах их деградации (таяния) с использованием силы ветра и холода окружающего воздуха.
Техническим результатом заявляемого изобретения, по отношению к известным системам ГЕТ, является повышение интенсивности охлаждения грунтов и возможность программирования ледяной завесы для отсечения основания объекта от линзы оттаявшего грунта в зоне деградации вечномерзлых грунтов.
Для этого автономное охлаждающее устройство, выполненное в виде вентиляционного канала в соответствии с заявляемым техническим решением, содержит всасывающую трубу, образующую входной воздушный канал, термосифон, образующий в вентиляционном канале зону повышенного охлаждения, и основную вытяжную трубу, поворотный узел и рупорный дефлектор в совокупности, образующие вытяжной канал, при этом всасывающая труба входного воздушного канала имеет радиусный изгиб и высоту меньше высоты вытяжного канала, при этом диаметр термосифона превышает диаметр воздушных каналов, при этом рупорный дефлектор вытяжного канала имеет вытяжную трубу рупорного дефлектора, соединенную с основной вытяжной трубой посредством поворотного узла, соединительные элементы для размещения рупора на вытяжной трубе дефлектора и флюгер.
Предпочтительно, когда диаметр термосифона превышает диаметр воздушных каналов не менее трех раз. С целью упрощения изготовления и транспортировки устройства автономное охлаждающее устройство может иметь монтажный узел.
Такая конструкция автономного охлаждающего устройства позволит за счет обеспечения постоянного естественного притока воздуха (в зимний сезон) и изменяемого давления в вентиляционном канале повысить интенсивность охлаждения грунтов в основании сооружений. При этом, имея разницу диаметра термосифона по отношению к воздушным каналам устройства появляется возможность программирования ледяной завесы для отсечения основания объекта от линзы оттаявшего грунта в зоне деградации вечномерзлых грунтов. При этом, такая конструкция может быть использована как для насыпных, так и для заглубленных оснований.
На фиг. 1 представлен принцип работы предлагаемого автономного охлаждающего устройства;
На фиг. 2 представлено автономное охлаждающее устройство в соответствии с заявляемым техническим решением.
На фиг. 3 представлена схема закладки автономного охлаждающего устройства в грунт для восстановления деградированной толщи многолетнемерзлого грунта.
На фиг. 4 представлена схема закладки двух автономных охлаждающих устройств в грунт для восстановления деградированной толщи многолетнемерзлого грунта.
Принцип работы предлагаемого СОУ заключается в создании принудительной тяги внутри всего устройства с применением рупорного дефлектора для всасывания холодного воздуха, который передает холод грунту через термосифон и охлаждает (замораживает) его. Предлагаемое устройство предназначено для сохранения (защиты от деградации) грунтового основания дорог, жилых и промышленных зданий и сооружений, построенного на многолетнемерзлых грунтах.
В зимний период холодный воздух проходя через термосифон и вентиляционные каналы ГЕТ восстанавливает оттаявшую за лето мерзлоту в основании сооружений как показано на фиг. 1. Для этого необходимо обеспечить постоянный естественный приток воздуха в конструкции автономного охлаждающего устройства.
Постоянный естественный приток воздуха в конструкции автономного охлаждающего устройства обеспечивается за счет создания тяги. Для этого автономное охлаждающее устройство (фиг. 2) имеет входной 1 и вытяжной 2 воздушные каналы. Входной воздушный канал 1 выполнен в виде всасывающей трубы 3, выступающей наружу основания на высоту менее высоты вытяжного канала, и имеет радиусный изгиб 4, предотвращающий забивание входного канала снегом. Вытяжной воздушный канал 2, выполнен в виде основной вытяжной трубы 5 с поворотным узлом 6 (например, подшипником), посредством которого она соединяется с рупорным дефлектором 7, а именно с вытяжной трубой 8 дефлектора. Рупор 9 дефлектора при наличии ветра осуществляет забор воздушных масс (как показано на фиг. 1) из окружающей среды, которые на входе в рупор сжимаются и увеличивают скорость, создавая тягу на выходе. Так как на выходе из рупора 9 расположен вытяжной канал 2, в нем также образуется тяга, которая приводит в движение воздух в вентиляционном канале, от дефлектора 7 до всасывающей трубы 3, так как в вытяжном воздушном канале 2 и термосифоне 10 образовалась область низкого давления. Для размещения рупора 9 на вытяжной трубе 8 дефлектора предусмотрены соединительные элементы 11 (например, перемычки), а для улавливания рупором 9 дефлектора воздушных масс - флюгер 12.
В то же время повышение интенсивности охлаждения грунтов в основании сооружений достигается изменением давления в вентиляционном канале с постоянным естественным притоком воздушных масс. Для этого, автономное охлаждающее устройство содержит термосифон 10, где холодный воздух попадая в более широкий канал расширяется, образующий в вентиляционном канале зону повышенного охлаждения, при этом диаметр термосифона 10 превышает диаметр воздушных каналов 1 и 2 не менее трех раз.
Такое решение позволяет изменять скорость течения среды (холодного наружного воздуха) через устройство и повышать его эффективность. Также термосифон 10 обладает улучшенными свойствами по отдаче холода в окружающий грунтовый массив. Имея разницу в диаметре термосифона 10 по отношению к воздушным каналам 1 и 2, устройство позволяет программировать создание ледяной завесы для отсечения основания объекта от линзы оттаявшего грунта в зоне деградации вечномерзлых грунтов. Например, при диаметре каналов 200 мм и диаметре термосифона 600 мм зона «покрытия» составит 2,4 метра, что позволит производить расчет количества ГЕТ на требуемый участок, и соответственно программировать ледяную завесу для отсечения основания объекта от линзы оттаявшего грунта в зоне деградации вечномерзлых грунтов.
Работа автономного охлаждающего устройства поясняется следующим примером (как показано на фиг. 3 и 4).
1
4
4
1
2
Для начала методом бурения определяют глубину залегания верхней границы многолетнемерзлого грунта (ВГМГ) от поверхности деятельного слоя Н. Затем ВГМГ в зоне деградации Н. Рассчитывают мощность (толщину) зоны деградации Н - Н = Н.
т
з
т
3
Исходя из диаметра термосифона (D) определяют зону его действия, которая ровна трем диаметрам термосифона - D =3D (например, при диаметре термосифона 600 мм, зона его действия составит 2,4 м). С учетом зоны действия термосифона определяют глубину его закладки H (Фиг. 3). Она должна быть подобрана с таким расчетом, чтобы зона действия термосифона охватила как можно большую часть зоны деградации, чтобы создать мерзлотную завесу под сооружением. Для каждого случая закладка термосифона рассчитывается и определяется индивидуально.
В случаях, когда зона одного термосифона не покрывает зону деградации, следует устанавливать два яруса термосифонов с отступом на расстоянии их действия. При этом, зона действия термосифонов должны перекрывать друг-друга (фиг. 4).
При установке двух рядов автономных охлаждающих устройств, закладку начинают с нижнего яруса, после его засыпки разрабатывают траншею под второй термосифон и укладывают по ранее намеченным плановым и высотным отметкам. После укладки термосифона 10 в траншею, собирают части автономного охлаждающего устройства посредством монтажного узла 13. При этом положение всасывающей трубы 3 должно быть менее высоты вытяжного канала 2 для создания притока воздуха. При этом радиусный изгиб 4 всасывающей трубы 3 предотвращает забивание входного воздушного канала 1 снегом и выход из действия устройства, обеспечивая его работу в самых сложных погодных условиях.
При возникновении ветра, флюгер 12 поворачивает рупор 9 дефлектора 7, вытяжная труба 8 которого установлена на поворотный узел 6 (подшипниковую опору) против ветра. Попадая в рупорную часть дефлектора 7 и проходя через него, воздух сжимается и одновременно ускоряет свое течение (скорость), создавая тягу по всему вентиляционному каналу от всасывающей трубы 3 до вытяжной трубы дефлектора 8. В виду того, что рупорная часть дефлектора 7 закреплена на вытяжной трубе 8 дефлектора (посредством соединительных элементов 11), выходящий воздух создает область низкого давления на выходе, образуя область низкого давления в начале устройства. Имея разницу в давлении на концах устройства, наружный воздух устремляется в всасывающую трубу 3 и попадает в термосифон 10, диаметр которого шире, чем входной воздушный канал 1. В термосифоне 10 холодный наружный воздух замедляет ход и расширяется, отдавая часть холода металлическим стенкам, через них грунту, охлаждая (замораживая) его. Далее воздух продолжает свое движение к выходу и через вытяжной воздушный канал 2 покидает устройство. Так продолжается до тех пор, пока дует ветер. После окончания зимнего сезона входное отверстие закрывают, чтобы теплый воздух не попал в термосифон и не размораживал окружающий грунтовый массив.
Список использованной литературы:
1. Патент RU 2487213 C1 (МПК: E02D 17/18) на изобретение «Насыпь на сильнольдистых вечномерзлых грунтах»; заявка: 2011143346/03 от 26.10.2011; патентообладатель: ФГБОУ ВПО «ТГТУ» (RU);
2. Патент CN 108118571 A (МПК: E01C 3/06) на изобретение «Устройство активной вентиляции и понижения температуры прямого всасывания, применимое к насыпи из многолетней вечной мерзлоты»; заявка CN 201810075781 A от 26.01.2018; патентообладатель: UNIV SICHUAN AGRICULTURAL (CN);
3. Патент CN 207987654 U (МПК: E01C 3/06) на полезную модель «Многоопорное устройство активного вентиляционного охлаждения поршневого типа, пригодное для грунтового основания вечной мерзлоты»; заявка CN 201820142264 U от 26.01.2018; патентообладатель: UNIV SICHUAN AGRICULTURAL (CN);
4. Патент CN 207987652 U (МПК: E01C 3/06) на полезную модель «Инициативное вентиляционное охлаждающее устройство шатунного типа, подходящее для дорожного полотна с мерзлым грунтом в течение многих лет»; заявка CN 201820134152 U от 26.01.2018; патентообладатель: UNIV SICHUAN AGRICULTURAL (CN);
5. Патент CN 110777592 A (МПК: E01C 3/06) на изобретение «Низконасыпная конструкция земляного полотна вентиляционной трубы в районе вечной мерзлоты плато»; заявка CN 201911075741 A от 06.11.2019; патентообладатель: CHINA RAILWAY FIRST SURVEY & DESIGN INST GROUP LTD (CN);
6. Патент CN 211171466 U (МПК: E01C 3/06) на полезную модель «Плато район вечной мерзлоты низкая насыпь вентиляционная труба земляное полотно»; заявка CN 201921900291 U от 06.11.2019; патентообладатель: CHINA RAILWAY FIRST SURVEY & DESIGN INST GROUP LTD (CN);
7. Патент CN 215164243 U (МПК: E01C 3/00, E01C 3/06) на полезную модель «Автоматическая ветрозащитная и вытяжная вентиляционная труба дорожного основания в районе вечной мерзлоты»; заявка CN 202120606691 U от 25.03.2021; патентообладатель - Технический университет Ланчжоу (CN).