УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ПЛАСТИЧНО-МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
DEVICE FOR COOLING PLASTIC-FROZEN SOIL

Изобретение относится к области строительства, а именно к устройствам для охлаждения и замораживания грунта, используемым при строительстве инженерных сооружений, возводимых в районах вечной мерзлоты. Устройство позволяет осуществлять аккумуляцию холода в грунте вне зависимости от температуры атмосферного воздуха за счет применения вихревого эффекта энергоразделения воздуха и создания градиента температур между грунтом и наружным воздухом, являющегося обязательным условием работы устройства.
Известно устройство для аккумуляции холода в грунте (Патент № 2145989 РФ, опубл. 27.02.2000 г.), представляющее собой частично заглубленный в грунт и заполненный двухфазным хладагентом корпус, подземная часть которого является испарителем, а надземная - конденсатором, снабженным элементами термического воздействия в виде, выполненными в виде термоэлектрического модуля, образующих вместе последовательную батарею элементов Пельтье.
Недостатками данного устройства является то, что для создания требуемого температурного эффекта требуется использование элементов Пельтье больших размеров с радиатором соответствующих размеров, что приводит к увеличению общего веса и, как следствие, напряжений в конструкции.
Известно устройство для температурной термостабилизации многолетнемерзлых грунтов (Патент № 2556591 РФ, опубл. 10.07.2015 г.), характеризующееся тем, что содержит термостабилизатор на основе двухфазного термосифона, включающего надземную конденсаторную часть и подземные транспортную и испарительные части, размещенные в гильзе с хладагентом, представляющей собой полый цилиндрический корпус с дном и герметизирующим элементом на верхнем конце с отверстием для установки термостабилизатора, при этом герметизирующий элемент представляет собой разъемное сальниковое уплотнение, которое состоит из опорного кольца, установленного на выполненную в гильзе круговую ступеньку, нажимного кольца и уплотнительных колец из терморасширенного графита, зажатых между ними.
Недостатком данного устройства является большое количество уплотнительных элементов, что усложняет конструкцию устройства и уменьшает его общую надежность.
Известно устройство для аккумуляции холода, включающее трубу (Патент РФ № 77617 опубликовано: 27.10.2008 г.), заполненную хладагентом и состоящую из испарителя, конденсатора, состоящего из двух конденсаторных зон, компрессорно-конденсаторный агрегат, соединенный нагнетательным и отводящим трубопроводами с трубопроводом, выполняющим роль испарителя, выполненным в виде трубки эллипсного сечения, плотно навитой на конденсатор, отличающееся тем, что труба выполнена в виде термосваи и помещена в предварительно размещенную в грунте стальную трубу, в испарительной зоне которой расположен испаритель, заполненный хладагентом, который через промежуточную трубу соединен с воронкой, выполненной с трапециевидными отверстиями с размерами и бортиком, причем бортик направлен в сторону движения пара для сбора испаряющихся паров и поступления их в зоны конденсации, зона между стальной трубой и термосваей в испарительной зоне на глубине грунта заполнена незамерзающей жидкостью для увеличения теплопроводности термосваи.
Недостатком данного устройства является низкая устойчивость опор, установленных в замороженном грунте, что приводит к низкой несущей способности конструкции в целом.
Известно устройство для стабилизации оснований сооружений на мерзлых грунтах (Патент RU № 181403, опубл. 12.07.2018 г.), состоящее из конденсатора и размещенных в отсыпке грунта основания произвольного числа испарителей, связанных с конденсатором трубопроводами подачи и отвода теплоносителя, отличающееся тем, что подземные участки трубопроводов подачи и отвода теплоносителя выполнены наклонными, при этом наклонный участок трубопроводов подачи теплоносителя в испаритель расположен ниже уровня испарителя, а уровень трубопроводов отвода теплоносителя выше уровня испарителя.
Недостатками данного устройства является наличие подземных трубопроводов, что увеличивает вероятность отказа устройства ввиду механического или коррозионного воздействия на трубопроводы.
Известно устройство для аккумуляции холода в грунте (Патент РФ № 108051, опубл. 10.09.2011 г.), представляющее собой частично заглубленный в грунт и заполненный двухфазным хладагентом корпус, подземная часть которого является испарителем, а надземная - конденсатором, разделенным на две зоны, из которых в одной конденсация хладагента происходит при температурах наружного воздуха ниже 0°С в результате теплообмена с окружающей средой, а в другой при температурах наружного воздуха выше 0°С посредством принудительной циркуляции дополнительного хладагента с помощью компрессорно-конденсаторного агрегата, соединенного нагнетательным и отводящим трубопроводами с трубопроводом, выполняющим роль испарителя, выполненным в виде трубки эллипсного сечения, плотно навитой на конденсатор.
Недостатком данного решения компрессорно-конденсаторный агрегат, создающий избыточное давление в системе, что увеличивает нагрузку на стенки и снижает ее надежность.
Известно устройство для аккумуляции холода в грунте (Патент США № 3217791, опубл. 16.11.1965 г.), принятое за прототип, представляющее собой частично заглубленный в грунт и заполненный двухфазным хладагентом корпус, подземная часть которого является испарителем, а надземная - конденсатором.
Недостаток данного устройства заключается в том, его конструкция не обеспечивает циркуляцию хладагента при положительных температурах воздуха.
Техническим результатом является повышение эффективности процесса охлаждения пластично-мёрзлых грунтов путём расширения периода работоспособности охлаждающих устройств.
Технический результат достигается тем, что кожух через монтажное отверстие, которое выполнено в его в нижней части, установлен на конденсаторную часть и закреплен при помощи замка, при этом в нижней части кожуха выпилены выходные отверстия, в боковой поверхности верхней часть кожуха выполнено монтажное отверстие, в которое установлен входной патрубок кожуха и закреплен при помощи замка, вихревая труба с возможностью съема соединена с входным патрубком кожуха, а компрессор через гибкий шланг соединен с возможностью съема с заверителем.
Устройство поясняется следующей фигурой:
фиг. 1 - общая схема устройства, где:
1 - корпус;
2 - конденсаторная часть;
3 - испарительная часть;
4 - входной патрубок кожуха;
5 - монтажное отверстие кожуха;
6 - выходные отверстия кожуха;
7 - кожух;
8 - вихревая труба;
9 - компрессор;
10 - гибкий шланг.
Устройство для охлаждения пластично-мерзлых грунтов содержит корпус 1 (фиг. 1), выполненный в форме цилиндра, изготовленный из материала с низкой теплопроводностью, высокой коррозионной стойкостью и высокой прочностью, например, из нержавеющей стали или композитных материалов. Внутрь корпуса 1 помещают двухфазный хладагент. В верхней части корпуса 1 закреплена конденсаторная часть 2, которая выполнена в форме ребер установленных на равном расстоянии друг от друга. Кожух 7 через монтажное отверстие 5, которое выполнено его в нижней части, устанавливается на конденсаторную часть 2 и закрепляется при помощи замка (на фигуре не показано). В боковой поверхности верхней часть кожуха 7 выполнено монтажное отверстие 5 для установки входного патрубка кожуха 4, который закрепляется при помощи замка (на фигуре не показано). Выходные отверстия 6 выпилены в нижней части кожуха 7. Вихревая труба 8 с возможностью съема соединена с входным патрубком кожуха 4. Компрессор 9 соединен с возможностью съем с заверителем через гибкий шланг 10.
Устройство работает следующим образом. Надземная часть корпуса 1 является конденсатором 2. Испарительная часть 3 частично заглубленная в грунт и заполненный двухфазным хладагентом, является подземной. Компрессор 9 нагнетает воздух внутрь вихревой трубы 8, в которой происходит его энергоразделение на «горячий» и «холодный» потоки посредством возникновения вихревого эффекта. Поток нагретого воздуха сбрасывается из вихревой трубы 8 в окружающую среду через её «горячий» конец, а с «холодного» конца поток охлажденного воздуха через входной патрубок кожуха 4 закачивается в кожух 7. Поток холодного воздуха, поступающий в кожух 7, охлаждает конденсаторную часть 2 посредством принудительной циркуляции и также истекает в окружающую среду через выходные отверстия 6 кожуха 7. В результате возникновения отрицательной температуры воздуха внутри кожуха 7 двухфазный хладагент в корпусе конденсируется, в результате чего под действием гравитационных сил стекает в испарительную часть 3 устройства, где возникает градиент температур от более нагретого грунта к хладагенту. Происходит теплообмен грунта с хладагентом, и температура грунта понижается. Хладагент при этом начинает испаряться и подниматься в конденсаторную часть 2, далее процесс повторяется.
В периоды, когда температура окружающей среды ниже, необходимость в принудительной интенсификации охлаждения конденсаторной части устройства отпадает. В таком случае воздушный компрессор 9 и вихревая труба 8 не используются, кожух 7 демонтируется, и конденсаторная часть 2 охлаждается путём естественного теплообмена с окружающей средой. Это даёт возможность круглогодичного использования устройства.