Способ охлаждения грунта
SOIL COOLING METHOD

Область техники
Настоящее изобретение относится к области возведения теплозащитных конструкций, а именно к способу охлаждения грунта. Изобретение может быть использовано для сохранения свойств грунтов, например, вечномерзлых грунтов, путем сохранения, понижения их температуры.
Уровень техники
Известно прямоточное естественно-конвективное устройство для термостабилизации мерзлого грунта, раскрытое в патенте РФ на полезную модель №RU132878 (опубл. 15.08.2012). Известное устройство содержит горизонтально расположенный трубчатый испаритель, по длине которого установлены концевые конденсаторные блоки и промежуточный блок. Промежуточный конденсаторный блок осуществляет прием пара и сток конденсата одновременно на два участка испарителя, примыкающих к концевым конденсаторным блокам. Концевые конденсаторные блоки осуществляют односторонний прием пара и сток конденсата.
Известно устройство для термоизоляции скважин в многолетнемерзлых породах, раскрытое в патенте РФ на изобретение №RU2625830 (опубл. 19.07.2017). Известное устройство содержит теплоизолирующую конструкцию между стенкой скважины и эксплуатационной трубой. Последняя содержит две коаксиально расположенные трубы, в межтрубном пространстве образованы две камеры – внутренняя и внешняя. Среда камер обеспечивает отвод теплового потока, причем внешняя камера заполнена незамерзающей средой, а внутренняя – теплоносителем для отвода внутренней теплоты скважины. Помимо этого, внутренняя камера оборудована системой принудительной циркуляции теплоносителя.
Известно устройство для термоизоляции скважин в многолетнемерзлых породах, раскрытое в авторском свидетельстве СССР №SU1767162 (опубл. 07.10.1992). Известное устройство включает две коаксиально расположенные трубы, частично погруженные в грунт и образующие герметичную кольцевую полость. Полость заполнена охлаждающей жидкостью. Кольцевая полость разделена на две камеры вертикальной перегородкой, установленной в этой полости концентрично. Внутри полости образованы перепускные каналы, через которые сообщаются упомянутые камеры. Камеры заполнены охлаждающей жидкостью, которая не кипит при температуре работы скважины.
Известно устройство для охлаждения вечномерзлых грунтов, раскрытое в патенте РФ на полезную модель №RU91723 (опубл. 27.02.2010). Известное устройство состоит из частично погруженной в грунт оболочки, имеющей замкнутую сквозную полость, образованную двумя параллельными трубами – для нисходящих и восходящих потоков воздуха, сообщенными перепускным каналом снизу. В верхней части трубы для нисходящих потоков воздуха имеется вырез, позволяющий охлажденному воздуху свободно поступать в полость, вытесняя более теплый (более легкий) воздух в трубу для восходящих потоков. Из этой трубы воздух поступает в воздушную полость теплообменника.
Общим недостатком известных аналогов является использование эффекта теплообмена между газовыми массами для обеспечения охлаждающего воздействия на грунт. При циркуляции воздуха или другого рабочего тела, например, хладагента, в контуре охлаждающей конструкции достигается сравнительно низкая охлаждающая способность.
Известно устройство для охлаждения вечномерзлых грунтов, раскрытое в патенте РФ на полезную модель №RU120111 (опубл. 10.09.2012). Устройство выполнено в виде трубчатого корпуса, частично погруженного в грунт и содержащего расположенную коаксиально корпусу внутреннюю трубу. В нижней части труба корпуса и внутренняя труба соединены каналом. Пространство между корпусом и внутренней трубой в верхней части соединено с вытяжной трубой.
Недостатком известного устройства является сравнительно невысокая интенсивность замещения масс теплого воздуха внутри конструкции массами холодного атмосферного воздуха. Это обусловлено отсутствием подведения тепла, которое могло бы интенсифицировать процесс, и приводит к невысокой охлаждающей способности известного решения.
Раскрытие сущности изобретения
Техническая задача, решаемая настоящим изобретением, заключается в обеспечении тепловой защиты грунта от растепляющих воздействий естественного или техногенного характера.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в улучшении охлаждающего воздействия на заглубленные части грунта.
Изобретение раскрывает способ охлаждения грунта, в котором в грунте обеспечивают слой для нисходящих масс воздуха, состоящий по меньшей мере из одного полого канала, и по меньшей мере частично изолированный от этого слоя слой для восходящих масс воздуха, состоящий по меньшей мере из одного полого канала. Упомянутые слои выполняют сообщенными между собой по меньшей мере одной камерой. Полые каналы выполняют соединенными с атмосферой в их надземных частях и обеспечивают через них прохождение масс воздуха. Слой для восходящих масс воздуха подвергают нагреву.
Дополнительные преимущества и существенные признаки настоящего изобретения могут быть представлены в следующих частных вариантах осуществления.
В частности, слой для нисходящих масс воздуха и слой для восходящих масс воздуха выполняют протяженными в произвольном направлении внутри грунта.
В частности, слой для нисходящих масс воздуха окружает слой для восходящих масс воздуха.
В частности, слой для восходящих масс воздуха подвергают нагреву в его подземной части.
В частности, слой для восходящих масс воздуха подвергают нагреву в его надземной части.
В частности, полые каналы каждого слоя объединяют в коллекторы, при этом коллекторы для каналов разных слоев разносят между собой таким образом, чтобы массы воздуха, покидающее каналы слоя для восходящих масс воздуха, не смешивались с массами воздуха, попадающими в каналы слоя для нисходящих масс воздуха.
В частности, между слоем для нисходящих масс воздуха и слоем для восходящих масс воздуха погружают сообщенный с ними промежуточный слой, состоящий по меньшей мере из одного полого канала.
В частности, полые каналы слоя для нисходящих масс воздуха выполняют с возможностью закупоривания на поверхности грунта.
В частности, слои сообщают между собой по меньшей мере только вблизи их подземных оконечных частей.
В частности, каналы выполняют цилиндрическими.
В частности, каналы выполняют с переменным поперечным сечением сложной формы.
В частности, каналы выполняют спиралевидными.
В частности, боковые поверхности каналов выполняют воздухонепроницаемыми.
В частности, боковые поверхности каналов выполняют теплоизолированными.
В частности, боковые поверхности каналов выполняют светоотражающими.
В частности, боковые поверхности каналов выполняют светопоглощающими.
В частности, боковые поверхности каналов выполняют по существу гладкими.
В частности, боковые поверхности каналов снабжают неровностями или ребрами по типу радиатора.
Улучшение охлаждающего воздействия в настоящем изобретении достигается за счет эффекта массообмена, при проявлении которого массы холодного воздуха из атмосферы проникают внутрь грунта по полым каналам слоя для нисходящих масс и вытесняют массы теплого воздуха, которые, соответственно, поднимаются по полым каналам слоя для восходящих масс вверх из глубинной части грунта и попадают в атмосферу. Для того чтобы обеспечить прохождение масс воздуха по массообменным слоям, предусматривают одну или несколько камер, сообщающих полые каналы разных слоев. Для того чтобы избежать смешивания масс воздуха и теплообмена на поверхности грунта, оконечные части каналов разводят между собой, например, объединяя их в коллекторы, входные и выходные отверстия которых удалены друг от друга таким образом, чтобы избежать попадания масс теплого воздуха, выведенных из грунта, обратно в полые каналы слоя для нисходящих масс воздуха.
При этом массообмен оказывает охлаждающее воздействие в значительной степени быстрее, чем теплообмен, поскольку способствует удалению масс теплого воздуха из системы каналов полностью за счет их замещения массами холодного атмосферного воздуха, в сравнении с эффектом теплообмена, при котором массы теплого воздуха охлаждаются под воздействием какого-либо рабочего тела, имеющего более низкую температуру. При этом эффект теплообмена объективно проявляется при контактах между массами воздуха, обладающих разной температурой, но не вносит существенного вклада в улучшение охлаждающего воздействия на грунт.
Улучшению охлаждающего воздействия также способствует интенсивность массообмена, т.е. скорости замещения масс теплого воздуха массами холодного воздуха. Интенсивность массообмена зависит от протяженности полых каналов массообменных слоев. Отсутствие системы специальных трубок, необходимых для обеспечения циркуляции рабочего тела, отличного от атмосферного воздуха, позволяет устанавливать внутри грунта каналы произвольной протяженности. При этом чем выше высота столбов воздуха с разными температурами и, следовательно, плотностями, тем сильнее тяга и выше скорость прохождения воздуха по каналам.
Также интенсивность массообмена зависит от разницы температур атмосферного воздуха и теплого воздуха, который необходимо удалить из глубины грунта. Чем температура теплого воздуха выше, тем он легче, соответственно, быстрее поднимается на поверхность. Аналогично, более холодный воздух тяжелее и потому быстрее вытесняет массы теплого воздуха. Для того чтобы увеличить разницу в температурах, слой для восходящих масс воздуха подвергают нагреву. Нагрев может быть подведен к этому слою от источника тепла, которым может являться, например, горячая добывающая скважина, подземное, наземное или надземное оборудование, иное тепловыделяющее сооружение. При этом возможен случай, при котором источник тепла является надземным сооружением, например, газовым факелом для сжигания попутного газа.
Улучшение охлаждающего воздействия также достигается за счет различных частных выполнений узлов, задействованных в осуществление способа.
Полые каналы могут иметь по существу произвольную конфигурацию. В частном варианте осуществления стенки полых каналов проходят вдоль тепловыделяющего сооружения. Если таким сооружением является тепловыделяющая добывающая скважина, то полые каналы ориентированы вертикально и примыкают своими стенками к стенкам скважины. Если таким сооружением является залегающая внутри грунта тепловыделяющая труба, части которой имеют сложную конфигурацию в пространстве, то полые каналы слоя для восходящих масс воздуха по существу повторяют эту конфигурацию. При этом полые каналы слоя для нисходящих масс воздуха не обязательно параллельны каналам слоя для восходящих масс и могут проходить в глубине грунта таким образом, чтобы охлаждать как можно больший объем грунта не только в вертикальном направлении (вглубь грунта), но и в горизонтальном (вширь).
Полые каналы могут также иметь различное выполнение внутренних и внешних поверхностей их стенок.
На внутренних поверхностях полых каналов могут быть выполнены неровности по типу радиатора, позволяющие увеличить площадь теплообмена между стенкой канала и холодным воздухом для того, чтобы дополнительно интенсифицировать отъем тепла от грунта.
Помимо этого, боковые поверхности каналов могут быть выполнены воздухонепроницаемыми и теплоизолированными, чтобы исключить возможность теплообмена между массами воздуха, находящихся в разных каналах, если они примыкают стенками друг к другу. Также боковые поверхности каналов слоя для восходящих масс воздуха могут быть выполнены светопоглощающими, чтобы использовать тепловое излучение для их большего нагрева, при этом внутренние поверхности каналов слоя для нисходящих масс воздуха, наоборот, выполняют светоотражающими, чтобы уменьшить влияние теплового излучения на их температуру.
Помимо этого, боковые поверхности каналов выполняют по существу гладкими, чтобы уменьшить площадь теплообмена между грунтом и стенками каналов, либо, наоборот, снабжают неровностями или ребрами по типу радиатора, чтобы увеличить площадь теплообмена между источником нагрева и стенками каналов. При этом форма канала влияет на скорость движения воздуха. В свою очередь, увеличение скорости движения воздуха улучшает характеристики теплообмена. Гладкие стенки могут быть использованы, когда не хватает тяги, или отсутствует стенка, которая разделяет теплый и холодный канал, чтобы уменьшить теплообмен между ними. Использование дополнительных свойств и преимуществ, описанных в частных вариантах осуществления изобретения, призвано повысить интенсивность теплообмена между стенками каналов и грунтом или теплым сооружением.
Краткое описание чертежей
ФИГ.1 иллюстрирует пример вертикальной теплозащитной конструкции, возведенной вдоль тепловыделяющей скважины.
ФИГ.2 иллюстрирует пример теплозащитной конструкции, внутри которой размещен источник тепла для нагрева слоя восходящих масс воздуха.
ФИГ.3а - ФИГ.3е иллюстрируют примеры поперечных сечений цилиндрической теплозащитной конструкции.
ФИГ.4 иллюстрирует горизонтальную теплозащитную конструкцию, внутри которой размещена подземная тепловыделяющая труба.
ФИГ.5 иллюстрирует теплозащитную конструкцию, внутри которой размещена подземная тепловыделяющая емкость.
ФИГ.6 иллюстрирует теплозащитную конструкцию, снаружи которой установлено тепловыделяющее оборудование или размещено сооружение.
Описание вариантов осуществления изобретения
На ФИГ.1 представлен пример теплозащитной конструкции, полученной при осуществлении заявленного способа, в котором тепловыделяющий объект 1 представлен добывающей скважиной 1, которая является источником нагрева слоя для восходящих масс воздуха 2.
Для создания слоев 2 и 3 использованы две цилиндрические трубы, размещенные коаксиально. Первая труба имеет больший диаметр, чем вторая труба. Первая труба погружена в грунт 4 на большую глубину, чем вторая труба. Обе трубы являются открытыми в оконечных подземных и надземных частях. Слой для нисходящих масс воздуха 3 образован межтрубным пространством между внутренней стенкой первой трубы и внешней стенкой второй трубы. Слой для восходящих масс воздуха образован пространством между внутренней стенкой второй трубы и стеной добывающей скважины.
Камеры 5 для сообщения слоев 2 и 3 образованы пространством, полученным в результате того, что трубы погружены на различную глубину. Разница в глубине погружения труб составляет высоту камер 5.
На ФИГ.2 представлен пример конструкции, полученной при осуществлении заявленного способа, в котором источником нагрева слоя для восходящих масс воздуха 2 является тепловыделяющая инженерная конструкция 6. В частности, конструкция 6 может быть специально размещена в грунте для выполнения роли энергонасоса, способствующего улучшению интенсивности массообмена для предотвращения размораживания грунта.
В соответствии с ФИГ.1, ФИГ.2, слой 2 состоит из одного канала, хотя в представленных вариантах конструкции, могут быть применены технические решения, позволяющие разместить в слое 2 несколько каналов, каждый из которых может состоять, в частности, из отдельных труб произвольной формы, погруженных в межтрубное пространство. Слой 3 состоит из одного канала, хотя по аналогии с выполнением слоя 2, может содержать несколько каналов, представленных трубами, размещенными в пространстве между внутренней стенкой второй трубы и стеной скважины. Во всех случаях каналы слоев 2 и 3 являются полыми телами произвольного сечения, открытые с оконечных частей, способствующие прохождению воздушных масс из атмосферы в направлении камер 5 конструкции и, наоборот, от камер 5 в направлении атмосферы.
Впускным для атмосферного воздуха является слой для нисходящих масс воздуха 3, выпускным является слой для восходящих масс воздуха 2. При эксплуатации скважины воздух в слое 2 нагревается и поднимается за счет естественной тяги, при этом воздух в слое 3 опускается в направлении камеры 5. Холодные воздушные массы, перемещающиеся вниз по слою 3, вытесняют теплые воздушные массы из слоя 2, за счет чего минимизируется теплопередача от стены скважины 1 в направлении грунта 4. Чем сильнее заглублена добывающая скважина, тем сильнее естественная тяга, за счет которой происходит замещение, вытеснение теплых воздушных масс. Холодный атмосферный воздух в слое 3 способствует сохранению низкой температуры окружающего сооружение грунта.
На ФИГ. 3а - 3е представлены примеры поперечных сечений цилиндрической теплозащитной конструкции.
На ФИГ. 3а представлено поперечное сечение конструкции, внутренние стенки которой по существу выполнены гладкими. Конструкция содержит слой 2 для восходящих масс воздуха и слой 3 для нисходящих масс воздуха.
На ФИГ. 3б представлено поперечное сечение конструкции, в которой внутренняя стенка слоя 2, примыкающая к тепловыделяющему объекту 1, а также внешняя стенка слоя 3, примыкающая к грунту, снабжены ребрами 7 по типу радиатора. Внутренняя стенка слоя 3 и внешняя стенка слоя 2 не имеют ребер, что способствует уменьшению теплообмена между слоями и увеличению скорости перемещения воздушных масс.
На ФИГ 3в представлено поперечное сечение конструкции, внутри которой выполнены продольные ребра жесткости 8. Указанные ребра жесткости 8 обеспечивают усиление конструкции и выполнение функции разделения ее внутреннего пространства на слой для восходящих масс воздуха и слой для нисходящих масс воздуха.
На ФИГ. 3г представлено поперечное сечение конструкции, которая заполнена теплоизолирующим наполнителем 9. Слои для восходящих и нисходящих масс воздуха сформированы путем выполнения продольных полостей (каналов) 10 в теплоизолирующем наполнителе 9. В качестве теплоизолирующего наполнителя 9 может быть применен пенополиуретан, экструдированный пенополистирол или аналогичный материал с гильзами либо без них.
На ФИГ. 3д представлено поперечное сечение конструкции с разделителями винтовой формы 11. Винтовые разделители необходимы для того, чтобы увеличить время, за которое воздушный поток проходит по каналам конструкции.
На ФИГ. 3е представлено поперечное сечение конструкции, которая образована тремя слоями 2, 3. Из них два слоя могут быть предназначены либо для восходящих, либо для нисходящих масс воздуха. Каждый из слоев может быть закупорен на поверхности грунта для его исключения из циркуляции воздуха и использования в качестве самостоятельного воздушного теплоизолирующего слоя.
На ФИГ.4 представлен пример конструкции, полученной при осуществлении заявленного способа, в котором источником нагрева слоя для восходящих масс воздуха 2 является подземный тепловыделяющий трубопровод 12, ориентированный в пространстве преимущественно горизонтально. Для создания слоев 2 и 3 использован сквозной кожух 13, который может являться трубой, погруженной в грунт и размещенной коаксиально подземному трубопроводу 12. Пространственная конфигурация кожуха 13 может повторять пространственную конфигурацию трубопровода 12. В частности, если трубопровод 7 состоит из труб, меняющих свою ориентацию в пространстве, то кожух 13 может также повторять такую конфигурацию. Кожух 13 выполняют закрытым с двух боковых оконечных частей, но со сквозными отверстиями, через которые может проходить трубопровод 12 и с отверстиями для входа и выхода воздушных масс.
Внутри кожуха 13 выполнена горизонтальная перегородка 14, разделяющая слои 2 и 3, чтобы разделить между собой теплые и холодные воздушные массы и не допустить между ними теплопередачи при их перемещении вдоль трубопровода. Между перегородкой и одной из боковых оконечных частей кожуха выполнен зазор, являющийся камерой 5 для сообщения слоев 2 и 3. Слои 2 и 3 имеют выступающие над поверхностью грунта 4 части 15, через которые осуществляется сообщение их полостей с атмосферой.
Массы холодного воздуха из атмосферы, попадающие в слой для нисходящий масс воздуха 3, перемещаются по нему в направлении камеры 5, вытесняя в слое 2 массы теплого воздуха, нагревающиеся при непосредственном контакте с трубопроводом 12. За счет массообмена в слоях 2 и 3, массы теплого воздуха попадают в атмосферу, и тем самым снижается растепляющее воздействие трубопровода 7 на окружающий его грунт 4.
На ФИГ.5 представлен пример конструкции, полученной при осуществлении заявленного способа, в котором источником нагрева слоя для восходящих масс воздуха 2 является тепловыделяющая подземная емкость 16.
Слои 2 и 3 образованы внутри полого саркофага 17, в котором оказывается емкость 16 при возведении теплозащитной конструкции. Слой для нисходящих масс 3 воздуха сообщается со слоем 2 через камеру 5, выполненную в саркофаге вблизи основания емкости 16. Для того чтобы предотвратить смешивание масс воздуха при их поступлении в камеру 5 с двух разных сторон, в саркофаге предусмотрены вертикальные перегородки 18.
Массы холодного воздуха из атмосферы, попадающие в слой для нисходящий масс воздуха 3, перемещаются по нему в направлении камеры 5, вытесняя в слое 2 массы теплого воздуха, нагревающиеся при непосредственном контакте с подземной емкостью 16. За счет массообмена в слоях 2 и 3, массы теплого воздуха попадают в атмосферу, и тем самым снижается растепляющее воздействие емкости 16 на окружающий ее грунт.
В зимний период грунт, находящийся в близости к тепловыделяющему объекту, дополнительно промораживается вдоль слоев 2 и 3 за счет перемещения масс холодного атмосферного воздуха.
В летний период оба слоя закупориваются сверху, отсекаются от атмосферы.
На ФИГ.6 представлен пример конструкции, снаружи которой установлено тепловыделяющее оборудование или сооружение 19. Тепло этого оборудования 19 используется для обеспечения естественной тяги, способствующей перемещению масс воздуха по слоям 2 и 3 конструкции. За счет перемещения холодных масс воздуха обеспечивается охлаждение грунта 4 в основании вокруг свай 20 самого оборудования или сооружения 19. Оборудование, сооружение может сообщаться со стенкой одной из труб. Также оборудование, сооружение может быть размещено на расстоянии от стенки одной из труб. В последнем случае нагрев канала происходит за счет теплового излучения или конвективной теплопередачи от оборудования, сооружения.
Следует отметить, что представленное выше описание приведено в качестве примера, и не должно быть истолковано как ограничивающее объем охраны настоящего изобретения, определяемым исключительно объемом приложенной формулы изобретения.
Несмотря на то, что описанные выше частные случаи осуществления приведены со ссылкой на конкретные примеры конструкций, созданные при выполнении действий в способе, специалисту должно быть очевидно, что на практике возможны иные варианты конструкций, снабженные дополнительными узлами, без отклонения от сущности настоящего изобретения.