ТЕРМОСТАБИЛИЗАТОР ГРУНТА
SOIL HEAT STABILIZER

Изобретение относится к строительству в зонах вечной мерзлоты, например около свай опор ЛЭП, нефте- и газопроводов и других объектов строительства, а именно к термостабилизаторам грунта для замораживания фундаментов.
Известен двухфазный термосифон, содержащий по крайней мере один частично заполненный теплоносителем герметичный корпус с зонами испарения и конденсации и расположенный в последней зоне радиатор с продольными ребрами (Термосваи в строительстве на севере. - Л.: Стройиздат, 1984 г., с. 12).
Также известен двухфазный термосифон, содержащий по крайней мере один частично заполненный теплоносителем герметичный корпус с зонами испарения и конденсации и расположенный в последней зоне радиатор с продольными ребрами (Патент России 96939 МПК F28D 15/00 от 18.02.2010 г.).
Недостатком известных термосифонов является их относительно низкая эффективность, ввиду чего для передачи больших тепловых потоков требуется значительное увеличение массогабаритных характеристик двухфазного термосифона.
В качестве прототипа была выбрана конструкция, описанная в статье, размещенной в интернете по адресу: http://iheatpipe.ru/doc/termostab.pdf. В статье сказано, что «в корпусах из любой стали необходимо создавать капиллярную структуру в зоне испарения (винтовая нарезка, спираль, канавки, сетка и т.д.). Следует отметить, что в ТС (термостабилизатор) из алюминиевых сплавов (ТМД-5 всех моделей, ТТМ и ДОУ-1) при необходимости на внутренней поверхности зоны испарения, а в остальных ТС практически всегда используются пружины или спирали. Так, например, в ТС типа ТСГ-6, ТН и ТСН капиллярная структура выполняется в виде витков спирали из нержавеющей проволоки диаметром (0,8-1,2) мм с шагом спирали 10 мм на внутренней поверхности ЗИ ДТ». Однако предложенные в статье варианты структур (винтовая нарезка, канавки, сетка и т.д.) весьма сложны в изготовлении на внутренней поверхности труб, из-за чего и предложен вариант со спиралью. Кроме того, приведенные в статье размеры (спираль из проволоки диаметром 0,8-1,2 мм с шагом 10 мм) не позволяют говорить о капиллярности структуры в зоне испарения. Предложенная спираль или пружина незначительно увеличивает площадь теплообмена и обладает недостаточной эффективностью.
Задачей предлагаемого изобретения является создание термостабилизатора грунта, выполненного в виде тепловой трубы с положительной ориентацией, с увеличенной площадью теплообмена для повышения теплопередающих характеристик.
Техническим результатом является повышение эффективности работы термостабилизатора грунта, повышение теплопередающих характеристик при сохранении его компактности.
Задача решается, а технический результат достигается тем, что термостабилизатор грунта содержит герметичный вертикально расположенный корпус с теплоносителем. В верхней и нижних частях корпуса расположены зоны теплообмена. При этом по меньшей мере в одной зоне теплообмена установлена кольцеобразная вставка, имеющая повышенную удельную поверхность. Наружная поверхность кольцеобразной вставки контактирует с внутренней поверхностью корпуса в зоне теплообмена, при этом площадь поперечного сечения кольцеобразной вставки не превышает 20% от площади поперечного сечения внутренней полости корпуса.
Кольцеобразная вставка может быть выполнена из металла с губчатой структурой, хаотично спутанной металлической проволоки или представлять собой набор мелкоячеистых тонких металлических плоских сеток.
Кольцеобразная вставка с одного торца может быть снабжена гофрированным конусообразным кольцом. Причем диаметр внутреннего отверстия конусообразного кольца меньше внутреннего диаметра кольцеобразной вставки. На внешней поверхности конусообразного кольца выполнены выступы для контакта с внутренней поверхностью корпуса.
Предлагаемое в изобретении решение позволяет увеличивать площадь теплообмена в термостабилизаторе грунта более чем в 15 раз без увеличения внешних размеров устройства.
В дальнейшем изобретение иллюстрируется подробным описанием конкретных, но не ограничивающих настоящее решение, примеров его выполнения и прилагаемым чертежами, на которых изображено:
фиг. 1 - вариант выполнения термостабилизатора грунта с кольцеобразной вставкой из набора мелкоячеистых тонких металлических плоских сеток;
фиг. 2 - вариант выполнения термостабилизатора грунта с кольцеобразной вставкой из хаотично спутанной металлической проволоки;
фиг. 3 - гофрированное кольцо.
Термостабилизатор грунта с кольцеобразной вставкой из набора мелкоячеистых тонких металлических плоских сеток схематично изображен на фиг. 1. Термостабилизатор состоит из герметичного вертикально расположенного корпуса 1, выполненного, например, в виде полого цилиндра. Торцы корпуса 1 с двух сторон герметично закрыты крышками 2. Внутри корпуса 1 имеются две зоны теплообмена в его верхней и нижней частях. Корпус 1 в районе верхней зоны теплообмена снабжен радиатором, теплоотводящими элементами которого выступают пластины 3, установленные на внешней поверхности корпуса 1. Во внутреннюю полость корпуса 1 заливают теплоноситель, в качестве которого можно использовать фреон или аммиак или какой-либо другой известный теплоноситель.
Предлагаемую согласно изобретению кольцеобразную вставку можно устанавливать как в верхней зоне теплообмена, так и в нижней зоне. Однако предпочтительней кольцеобразную вставку устанавливать в обеих зонах. Конструктивно кольцеобразная вставка может быть выполнена в виде кассеты 4, как это представлено на фиг. 1. Кассета 4 состоит из набора колец, выполненных из сетки, либо из набора пластин с множеством отверстий. Кассета 4 состоит из двух торцевых пластин 7, которые стянуты продольными стержнями 6 при помощи гаек 5. Между торцевыми пластинами 7 располагают набор колец из сетки или пластин с отверстиями. Внешний диаметр кассеты 4 выполнен равным внутреннему диаметру корпуса 1. Кассету 4 в корпус 1 устанавливают с натягом, для чего корпус 1 нагревают, а кассету охлаждают, после чего кассету устанавливают в корпус 1. Такая установка позволяет достичь плотного прилегания вставки к корпусу 1. Дополнительно возможно установить гофрированное кольцо 8, представленное на фиг. 3. Гофрированное кольцо 8 имеет внутренний диаметр меньше внутреннего диаметра кольцеобразной вставки, что позволяет улавливать охлажденные капли теплоносителя, свободно падающие внутри полости вставки, и направлять их на внутреннюю поверхность корпуса 1, что позволяет увеличить степень охлаждения корпуса в этой зоне.
Аналогичную конструкцию может иметь и кольцеобразная вставка, выполненная из металла с губчатой структурой с открытыми порами.
На фиг. 2 показана конструкция термостабилизатора грунта, в корпусе 1 которого установлена кольцеобразная вставка из хаотично спутанной металлической проволоки. Вставка установлена в верхней зоне теплообмена. Термостабилизатор состоит из корпуса 1, выполненного в виде полого цилиндра. Торцы корпуса 1 с двух сторон закрыты герметично крышками 2 (вторая крышка на фиг. 2 не показана). Корпус 1 в верхней зоне теплообмена снабжен радиатором, теплоотводящими элементами которого выступают пластины 3, установленные на внешней поверхности корпуса 1.
Конструктивно кольцеобразная вставка из хаотично спутанной металлической проволоки также может быть выполнена в виде кассеты 9, как это представлено на фиг. 2. Кассета 9 состоит из спутанной металлической проволоки (на фиг.2 не обозначена), расположенной между двумя торцевыми пластинами 7, которые стянуты продольными стержнями 6 при помощи гаек 5. Кольцеобразная вставка из хаотично спутанной металлической проволоки имеет форму цилиндра. Внутри цилиндра из спутанной металлической проволоки расположена распорная спиральная пружина 10. После установки кассеты в корпус 1 термостабилизатора сжимают распорную спиральную пружину 10, заворачивая гайки 5. При этом распорная спиральная пружина 10 расширяется и прижимает внешнюю сторону цилиндра из спутанной металлической проволоки к внутренней поверхности корпуса 1. Конструкция кассеты 9 позволяет достаточно сильно прижать вставку из хаотично спутанной металлической проволоки к внутренней стенке корпуса 1, что обеспечивает максимальный теплообмен.
Термостабилизатор работает следующим образом. Термостабилизатор представляет собой тепловую трубу с положительной ориентацией согласно ГОСТ 23073-78, т.е. конденсационная область находится выше испарительной области тепловой трубы.
В зимнее время года теплоноситель, попадая в верхнюю зону теплообмена, охлаждается. Этому способствуют низкие температуры окружающего воздуха. Охлажденный теплоноситель в виде капель под действием силы тяжести опускается в нижнюю зону теплообмена. Для большей эффективности охлаждения верхняя зона теплообмена снабжена радиатором, выполненным в виде пластин 3, установленных на внешней поверхности корпуса 1. Изобретение позволяет значительно повысить эффективность охлаждения за счет увеличения площади теплообмена благодаря использованию вставки, имеющей повышенную удельную поверхность.
В нижней зоне теплообмена термостабилизатора происходит теплообмен между теплоносителем с пониженной температурой и грунтом, имеющим температуру выше температуры жидкого теплоносителя. Жидкий теплоноситель нагревается, переходит в газообразное состояние и поднимается вверх по центральному отверстию корпуса 1 и кольцеобразной вставки, при этом грунт с наружной стороны корпуса 1 промораживается. При использовании кольцеобразной вставки, имеющей повышенную удельную поверхность, повышается эффективность теплообмена, однако, поперечная площадь кольцеобразной вставки не должна превышать 20% от площади поперечного сечения внутренней полости корпуса 1. При занятости до 20% площади поперечного сечения полости корпуса 1 вставкой не происходит снижения скорости движения паров теплоносителя, что не ухудшает эффективность теплообмена. Если площадь поперечного сечения вставки превысит 20%, то скорость подъема теплоносителя существенно снижается и эффективность теплообмена снижается.
Также для повышения эффективности работы термостабилизатора возможно применять гофрированное кольцо 8, которое позволяет направлять теплоноситель в виде капель из центральной осевой зоны термостабилизатора на стенку корпуса 1, что также повышает эффективность работы.
Применение предложенного термостабилизатора грунта согласно изобретению позволяет значительно повысить эффективность его работы, при этом его внешние размеры не изменяются.