ТЕПЛОВАЯ ТРУБА
HEAT PIPE

Предполагаемое изобретение относится к строительным теплотехническим устройствам с применением тепловой трубы (ТТ) и предназначено в качестве устройства для захолаживания на глубине грунта в зимний период для подземных холодильников, для обеспечения круглогодичной стабилизации вечной мерзлоты для фундаментных опор сооружений в районах вечной мерзлоты с целью исключения их проседания при оттаивании грунта в летний период.
Известна тепловая свая (патент РФ №2250302), содержащая штуцеры, выполненные на концах конденсаторов, предназначенные для подключения к ним системы аварийного оттаивания с последующим подъемом сваи из грунта для ремонта или замены ее на исправную. Указанное подключение осуществляется выполнением в них отверстий и привариванием к ним входов и выходов системы оттаивания. Недостаток сваи заключается в том, что она не предназначена для ремонта, перезаправки с последующей герметизацией ее без демонтажа из грунта, что ограничивает эффективность ее применения.
Известна ТТ (книга С.В.Алексеев, Б.И.Рыбкин, И.Ф.Прокопенко. Низкотемпературные тепловые трубы для космической техники в 2-х томах. Технология и исследования в наземных условиях. Том 2. Научное издание. Рекомендовано к изданию решением Научно-технического совета ФГУП «НИИ НПО «Луч» (Федеральное агентство по атомной энергии), ОАО «Типография» Новости», 2006. Стр.73-74), содержащая заправочный штуцер (штенгель) для обеспечения глубокой очистки полости ТТ от неконденсирующихся газов, дозированной заправки теплоносителем с последующим пережатием заправочного штуцера при давлении паров теплоносителя выше атмосферного (для исключения попадания воздуха), герметизацию пережатия аргонно-дуговой сваркой при комнатной температуре после контроля на отсутствие течи теплоносителя через пережим. Недостаток ТТ заключается в том, что ее можно заправлять только один раз, что ограничивает эффективность ее применения.
В качестве прототипа выбрана ТТ (С.Чи. Тепловые трубы. Теория и практика. Перевод с английского В.Я.Сидорова. Москва. Машиностроение 1981. Стр. 167-168), которая содержит заправочную (заливную) трубку, через которую осуществляют откачку полости ТТ и заливку в нее теплоносителя, которую потом герметично пережимают с последующей сваркой. Недостаток этой ТТ заключается в том, что ее можно заправлять только один раз, что ограничивает эффективность ее применения.
Задача изобретения - повышение эффективности применения ТТ.
Поставленная задача решена за счет того, что тепловая труба выполнена со съемной заправочной емкостью, герметично установленной на конце конденсатора тепловой трубы посредством накидной гайки с применением кольцевого уплотнителя, а заправочная труба подключена к полости указанной емкости, через торцевую стенку которой в направлении продольной оси тепловой трубы герметично вмонтирован торцевой ключ для вновь введенного герметизирующего винта, установленного в торце конденсатора вдоль продольной линии тепловой трубы с применением своего кольцевого уплотнителя, причем с нижнего торца герметизирующего винта выполнен центральный канал с боковым выходом для прохода теплоносителя из полости съемной заправочной емкости в полость тепловой трубы, причем указанный боковой выход расположен выше кольцевого уплотнителя герметизирующего винта при не полностью закрученном его положении и ниже указанной кольцевого уплотнителя при полностью закрученном герметичном положении винта, тепловая труба снабжена дополнительным герметизирующим элементом в виде заглушки для установки вместо съемной заправочной емкости после заправки; кольцевые уплотнители соответственно для герметизирующего винта и заглушки выполнены из алюминиевого сплава АД00.
Суть изобретения заключается в том, что ТТ выполнена с возможностью неоднократной перезаправки с обеспечением последующей ее надежной герметизации, что позволило повысить эффективность ее применения в качестве устройства захолаживания грунта на глубине путем ремонта без демонтажа из грунта, а также при наземных экспериментальных отработках вариантов модернизации для различных температурных условий эксплуатации путем экспериментального выбора соответствующих оптимальных доз заправки теплоносителя.
Анализ известных технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии признаков, сходных с совокупностью признаков заявляемого объекта.
Предложенное техническое решение показано на фиг.1, 2, 3: На фиг.1 показан общий вид тепловой трубы; на фиг.2 - показана ТТ в разрезе со съемной заправочной емкостью 6; на фиг.3 показан разрез части ТТ с заглушкой 16, когда ТТ готова к эксплуатации.
ТТ содержит трубчатый корпус 1, конденсатор 2 которого в процессе эксплуатации ТТ располагают над поверхностью грунта, а испаритель 3 которого в процессе эксплуатации располагают в охлаждаемом грунте, например, выполненные с внешними оребрениями соответственно 4 и 5, съемную заправочную емкость 6, герметично установленную на конце конденсатора 2 посредством накидной гайки 7 с применением кольцевого уплотнителя 8, к полости которой подключена заправочная труба 9, а через ее торцевую стенку 10 в направлении продольной оси тепловой трубы герметично вмонтирован торцевой ключ 11 для вновь введенного герметизирующего винта 12, установленного в торце конденсатора 2 вдоль продольной линии ТТ с применением кольцевого уплотнителя 13, причем с нижнего торца герметизирующего винта 12 выполнен центральный канал 14 с боковым выходом 15 для прохода теплоносителя из полости съемной заправочной емкости 6 в полость тепловой трубы, причем указанный боковой выход 15 расположен выше кольцевого уплотнителя 13 герметизирующего винта 12 при не полностью закрученном его положении и ниже указанной кольцевого уплотнителя 13 при полностью закрученном герметизирующем винте 12, тепловая труба снабжена дополнительным герметизирующим элементом в виде заглушки 16 для установки ее вместо съемной заправочной емкости 6 при помощи накидной гайки 7 после заправки ТТ.
Кольцевые уплотнители 13 и 8 соответственно для герметизирующего винта 12 и заглушки 16 выполнены из алюминиевого сплава АД00. Герметизация торцевого ключа 11 с внутренней стенкой съемной заправочной емкости 6 обеспечена применением кольцевых уплотнителей 17.
Предложенная ТТ в качестве устройства для захолаживания грунта (например, для подземного сезонного холодильника) или для понижения температуры участков вечной мерзлоты для использования их в качестве опор для строительных свай устанавливается вертикально или под наклоном в непосредственной близости ее испарителем 3 с частью строительной сваи, расположенной в грунте и опирающейся на участок вечной мерзлоты, например, на глубине 3-5 м. А конденсатор 2 ТТ расположен над поверхностью грунта. В зимний период времени, когда температура воздуха над грунтом ниже температуры вечной мерзлоты, например, соответственно минус 40°С и минус 3°С, ТТ интенсивно отводит тепло от захолаживаемого грунта через испаритель 3 за счет того, что в нем происходит испарение теплоносителя (например, аммиака или керосина) с поглощением тепла от грунта (вечной мерзлоты), окружающего испаритель и тем самым происходит его захолаживание (понижение температуры) до уровня минус 10-15°С. От испарителя 3 тепло отводится паром теплоносителя, поднимающимся вверх в конденсатор 2, где под действием более низкой его температуры, близкой к температуре окружающего воздуха, пар конденсируется в жидкость, передавая тепло конденсатору и далее окружающему воздуху, и под действием силы тяжести жидкость стекает в испаритель 3 и, таким образом, обеспечивается интенсивное захолаживание грунта за счет непрерывного испарительно-конденсационного эффекта переноса тепла от испарителя 3 к конденсатору 2. В летнее время тепловая труба не работает, так как температура конденсатора становится выше температуры испарителя и соответственно в них не происходит испарение и конденсации пара. При этом температура грунта вокруг испарителя постепенно повышается за счет притока к нему тепла теплопроводностью от окружающих участков грунта. Для надежного круглогодичного обеспечения вечной мерзлоты, на которую опираются строительные (фундаментные) сваи, охлаждение грунта в зимний период должно обеспечиваться до такой отрицательной температуры, чтобы она за летний период не превысила температуры минус 7-5°С. Повышение температуры грунта в летний период происходит за счет теплоподвода к нему через фундаментные сваи и от верхних оттаявших в летнее время верхних слоев грунта. Для снижения интенсивности оттаивания грунта в летний период наружную поверхность грунта, как правило, теплоизолируют от окружающего воздуха, а строительные сваи выполняют с минимально возможным коэффициентом теплопроводности, например путем применения пенобетона. Наличие внешнего оребрения 4 и 5 соответственно на конденсаторе 2 и испарителе 3 обеспечивают интенсивность их тепловой связи соответственно с окружающим воздухом и захолаживаемым участком грунта.
Особенностью применения ТТ для захолаживания грунтов является жесткие климатические условия их эксплуатации в течение 15-30 лет при высокой влажности и больших перепадах температурных воздействий. Это вызывает интенсивную коррозию конденсатора ТТ, а длительный срок эксплуатации создает условия образования неконденсирующихся газов в полости ТТ или частичной ее разгерметизации. Замена вышедшей из строя ТТ новой весьма трудоемка из-за необходимости выполнения работ по демонтажу неисправной ТТ с последующим монтажом новой ТТ. С целью обеспечения ремонтопригодности ТТ без демонтажа ее из грунта она выполнена со съемной заправочной емкостью 6, герметично установленной на конце конденсатора 2 тепловой трубы посредством накидной гайки 7 с применением кольцевого уплотнителя 8, а заправочная труба 9 подключена к полости указанной емкости 6, через торцевую стенку которой в направлении продольной оси тепловой трубы герметично вмонтирован торцевой ключ 11 для вновь введенного герметизирующего винта 12, установленного в торце конденсатора вдоль продольной линии тепловой трубы с применением кольцевого уплотнителя 13, причем с нижнего торца герметизирующего винта 12 выполнен центральный канал 14 с боковым выходом 15 для прохода теплоносителя из полости съемной заправочной емкости 6 в полость тепловой трубы, причем указанный боковой выход 15 расположен выше кольцевого уплотнителя 13 герметизирующего винта 12 при не полностью закрученном его положении и ниже указанного кольцевого уплотнителя 13 при полностью закрученном герметизирующем винте 12. Тепловая труба снабжена дополнительным герметизирующим элементом в виде заглушки 16 для установки вместо съемной заправочной емкости 6 после заправки ТТ, а кольцевые уплотнители соответственно для герметизирующего винта 12 и заглушки 16 выполнены из алюминиевого сплава АД00.
В случае выхода ТТ из строя произойдет оттаивание участка грунта, на который опирается строительная свая, при этом ее положение изменится. По этому признаку или по специальному температурному контролю за работой ТТ осуществляют перезаправку ТТ без демонтажа ее из грунта. Для этого отвинчивают накидную гайку 7, снимают заглушку 16, вместо нее герметично устанавливают съемную заправочную емкость 6. С помощью торцевого ключа 11 устанавливают герметизирующий винт 12 в открытое положение, при котором через центральный канал 14 и боковой выход 15 полости съемной заправочной емкости 6 и ТТ являются соединенными (см. фиг.2). Через заправочную трубу 9 вакуумируют полость ТТ, после чего заполняют ее под избыточным давлением гелием, герметизируют ТТ с помощью герметизирующего винта 12 и с помощью течеискателя проверяют герметичность корпуса. Если разгерметизация корпуса 1 произошла над поверхностью грунта или на небольшой глубине, то негерметичный участок корпуса 1 заваривают сваркой и повторяют операцию по проверке герметичности корпуса 1. Убедившись в герметичности корпуса 1 ТТ, осуществляют ее перезаправку.
Следует сказать, что при этом может быть, что ТТ не обеспечивала требуемой работоспособности не из-за негерметичности ее корпуса, а из-за образования в ней неконденсирующегося газа.
Перезаправку осуществляют следующим образом. Вакуумируют полость ТТ, заправляют требуемую дозу теплоносителя. С помощью торцевого ключа 11 устанавливают герметизирующий винт 12 в закрытое положение, при котором боковой выход 15 находится ниже кольцевого уплотнителя 13 и ТТ становится загерметизированной (см. фиг.3). Отвинчивают накидную гайку 7 и вместо съемной заправочной емкости 6 устанавливают заглушку 16, прижимая ее с определенным усилием к кольцевому уплотнителю 8 с помощью накидной гайки 7. В процессе ремонта (перезаправки) ТТ кольцевые уплотнители 8 и 13 меняют на новые. Кольцевые уплотнители 17 выполнены не из металла и их меняют при потере герметичности в процессе использования съемной заправочной емкости 6.
После перезаправки ТТ готова к дальнейшей эксплуатации.
Предложенная ТТ обеспечивает возможность ее эффективного применения с учетом результатов наземной экспериментальной отработки вариантов модернизации для различных температурных условий эксплуатации с обеспечением эффективности ее работы путем определения соответствующих оптимальных доз заправки, что становится возможным за счет выполнения ее неоднократной перезаправки.
В настоящее время на предприятии проводится экспериментальная отработка предложенной ТТ.