ОХЛАЖДАЕМОЕ ОСНОВАНИЕ СООРУЖЕНИЙ

Предлагаемая полезная модель относится к области строительства, а именно к основаниям и фундаментам различных сооружений, возводимых в районах крайнего Севера на высокотемпературных вечномерзлых грунтах, более конкретно - к охлаждаемому основанию сооружений, береговым устоям железных и автомобильных мостов.
Высокотемпературные вечномерзлые грунты имеют небольшую несущую способность, которую стараются увеличить, производя сезонное охлаждение грунтов зимним холодом. Для этого на практике широко используются вертикальные и наклонные гравитационные тепловые трубы, которые устанавливаются возле или внутри фундаментов сооружений.
Известно устройство для аккумуляции холода в основании сооружений, включающее грунтовую отсыпку и охлаждающую систему сезонного действия, выполненную в виде гравитационной тепловой герметичной трубы, заполненной низкокипящей жидкостью и состоящей из конденсатора и испарителя, и установленной коаксиально вокруг испарителя и части конденсатора смонтирована оболочка с зазором, который заполнен жидкостью, замерзающей ниже °C конденсатор расположен выше поверхности грунта и с внешней стороны снабжен горизонтальным круговым оребрением, испаритель погружен в грунт. В необходимых случаях конденсатор может располагаться на некотором расстоянии от испарителя и соединяться с ним трубопроводом для передачи хладагента. Оболочка может быть смонтирована либо только возле испарителя или конденсатора, либо возле испарителя и конденсатора одновременно. Оболочка, смонтированная возле конденсатора, снабжена теплоизоляцией [А.с. СССР №533283, кл. E02D 3/12, опубл. 1977 г.]
Благодаря емкости, заполненной жидкостью замерзающей при температуре ниже °C, (зеротору) происходит аккумуляция холода зимой и его расходование летом, что позволяет устройству работать всесезонно.
Однако это устройство имеет существенный недостаток, снижающий его надежность. Он заключается в том, что в конструкции устройства не предусматривается компенсации увеличения объема при замерзании жидкости, расположенной между оболочкой и термостабилизатором, что может привести к разрыву оболочки или смятию термостабилизатора.
Кроме того, оболочка, расположенная над землей, покрыта теплоизоляцией, которая удорожает конструкцию.
Наиболее близким техническим решением является охлаждаемое основание сооружений, включающее грунтовую отсыпку и охлаждающую систему сезонного действия, выполненную в виде заполненной низкокипящей жидкостью гравитационной тепловой герметичной трубы, состоящей из конденсатора и испарителя, и установленной коаксиально с внешней стороны трубы емкости из эластичного материала с аккумулирующим холод веществом, заключенной в жесткий каркас, при этом верхняя часть конденсатора расположена над поверхностью грунтовой отсыпки, и снабжена с внешней стороны горизонтальным круговым оребрением, а верхняя часть испарителя расположена в грунтовой отсыпке [Патент РФ №83779, кл. E02D 3/115, опубл. 2009 г].
Оно предназначено для возведения на нем сооружений в районах с вечномерзлым грунтом. Основание содержит грунтовую отсыпку с расположенным в верхней ее части слоем теплоизоляции, а также охлаждающую систему сезонного действия из нескольких гравитационных тепловых труб. Трубы имеют зоны конденсации, транспортные зоны и зоны испарения и состоят из двух участков каждая.
Участок с зоной испарения расположен под углом к горизонту до 10° и размещен полностью в отсыпке ниже слоя теплоизоляции, а участок с зонами конденсации и транспорта расположен вертикально или с отклонением от вертикали до 30°, при этом зона конденсации полностью находится над поверхностью отсыпки.
Особенностью основания является наличие в охлаждающей системе емкостей из эластичного материала с аккумулирующим холод веществом.
Емкости размещены в отсыпке ниже слоя теплоизоляции возле участков испарения труб и могут быть заключены в жесткие каркасы.
Недостатком известной полезной модели является невозможность обеспечить охлаждение вечномерзлого грунта летом на всю глубину расположения свай, поскольку охлаждение ведется только с поверхности, а также большие конструктивные сложности по размещению в основании берегового устоя подсыпки с помещенными в ней емкостями с аккумулирующим холод веществом.
Задачей, решаемой полезной моделью, является обеспечение охлаждения вечномерзлого грунта в летний период на всю глубину расположения свай с одновременным снижением затрат на строительство оснований сооружений и повышением надежности устройства охлаждающей системы сезонного действия.
Поставленная задача решается в охлаждаемом основание сооружений, включающме грунтовую отсыпку и охлаждающую систему сезонного действия, выполненную в виде заполненной низкокипящей жидкостью гравитационной тепловой герметичной трубы, состоящей из конденсатора и испарителя, и установленной коаксиально с внешней стороны трубы емкости из эластичного материала с аккумулирующим холод веществом, заключенной в жесткий каркас, при этом верхняя часть конденсатора расположена над поверхностью грунтовой отсыпки, и снабжена с внешней стороны горизонтальным круговым оребрением, а верхняя часть испарителя расположена в грунтовой отсыпке, длина нижней части конденсатора соответствует расстоянию между поверхностью грунтовой отсыпки и подошвой слоя сезонного оттаивания, емкость с аккумулирующем холод веществом выполнена с длиной соответствующей длине нижней части конденсатора, и расположена на уровне нижней части конденсатора, оребрение внутри емкости выполнено с отверстиями для прохода аккумулирующего холод вещества, а нижняя часть испарителя расположена в основании грунтовой отсыпки.
Преимущественно в качестве аккумулирующей холод жидкости используют водный раствор диэтиленгликоля.
Целесообразно стенки емкости жестко укрепить на круговом оребрении.
На фиг. 1 представлено конструкция охлаждаемого основания сооружений
На фиг. 2 - узел A фиг. 1.
Расположение емкости с аккумулирующим холод веществом (зеро-тора) вокруг нижней части конденсатора приводит к тому, что осуществляется глубинное охлаждение основания в летний период вследствие продолжения работы тепловой трубы за счет холода, накопленного зимой зеротором. В прототипе глубинное охлаждение основания летом невозможно, поскольку тепловая труба летом не работает.
В зероторе находится жидкость агрессивная к мерзлому грунту и его авария может привести к оттаиванию мерзлого основания и потере его несущей способности. В нашем случае зеротор находится вне сооружения, что обуславливает надежность охлаждающей системы сезонного действия.
Размеры зеротора выбирают из условия: количество холода, накопленное в нем, должно равняться количеству тепла, поступающему в основание от сооружения летом Q.
с
Если учесть, что глубина сезонного оттаивания вне сооружения Hопределяется естественными условиями и является постоянной величиной для конкретных климатических условий и конкретного состава грунта подсыпки, то диаметр зеротора D можно определить по формуле:
,
f
где q - удельная теплота фазового перехода аккумулирующего холод вещества;
n - число тепловых труб под сооружением (число зероторов); d - диаметр тепловой трубы.
Охлаждаемое основание сооружений состоит из грунтовой отсыпки и охлаждающей системы сезонного действия.
Охлаждающая система сезонного действия выполнена в виде гравитационной тепловой герметичной трубы, заполненной низкокипящей жидкостью и состоящей из конденсатора 1 и испарителя 2, и установленной с внешней стороны трубы коаксиально емкости 3 из эластичного материала с аккумулирующим холод веществом, заключенной в жесткий каркас 4.
Конденсатор 1 с внешней стороны снабжен горизонтальным круговым оребрением 5, а верхняя часть его расположена над поверхностью грунтовой отсыпки 6.
Длина нижней части конденсатора 1 соответствует расстоянию между поверхностью грунтовой отсыпки 6 и подошвой слоя сезонного оттаивания 7.
Верхняя часть испарителя 2 расположена в грунтовой отсыпке 6, а ее нижняя часть расположена в основании грунтовой отсыпке.
В каждом конкретном случае длину испарителя выбирают из условия - глубина погружения испарителя в основание должна быть не меньше глубины заложения подошвы фундамента (острия свай).
Емкость 3 с аккумулирующем холод веществом расположена на уровне нижней части конденсатора 1, ее длина соответствует длине нижней части конденсатора 1.
Оребрение 5 внутри емкости 3 выполнено с отверстиями 8 для прохода аккумулирующего холод вещества, в качестве которого используют водный раствор диэтиленгликоля.
Один из вариантов, выполнения охлаждающей системы сезонного действия является жесткое крепление стенки емкости 3 на круговом оребрении 5.
Работает устройство следующим образом.
С наступлением зимы, когда температура конденсатора 1 становится ниже температуры испарителя 2, происходит охлаждение грунта и аккумулирование холода в объеме емкости 3 за счет промораживания находящейся в ней жидкости.
При этом часть конденсатора 1, расположенного в каркасе 4, работает в режиме испарителя.
Под действием естественного холода происходит также промораживание слоя сезонного оттаивания грунта. За счет аккумуляции холода в объеме емкости 3 тепловая труба продолжает работать и летом, ибо температура конденсатора 1, расположенного в каркасе 4, остается ниже температуры испарителя 2 до тех пор, пока происходит таяние льда, образованного зимой в емкости 3. При этом верхняя часть конденсатора 1, расположенного на воздухе автоматически отключается.
Объем и высоту емкости 3 выбирают таким образом, чтобы количество холода, аккумулированного в ней, компенсировало бы потери тепла свайным основанием летом.
Температура промерзания-оттаивания жидкости, находящейся в емкости 3, определяется, исходя из несущей способности сваи и концентрации раствора диэтиленгликоля. В этом случае надежность свайного основания сооружений сохраняется в течение круглого года.
Таким образом, в течение всего года в тепловой трубе присутствует положительный температурный градиент, который стимулирует ее работу и в зимнее и в летнее время, и не дает температуре вечномерзлого грунта стать существенно выше температуры фазового перехода аккумулирующей холод жидкости, которая выбирается исходя из несущей способности свай путем изменения концентрации растворов, составляющих аккумулирующую холод жидкость.
При этом при промерзании-оттаивании аккумулирующая холод жидкость не должна расслаиваться, чему отвечают водные растворы диэтиленгликоля, которые выбираются для заполнения указанных выше емкостей.