ОХЛАЖДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЛУБИННОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ГРУНТОВ, ОСНОВАНИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
COOLING DEVICE FOR DEPTH TEMPERATURE STABILISATION OF SOILS, FOUNDATIONS OF BUILDINGS AND STRUCTURES

Изобретение относится к области строительства, а именно к устройствам для глубинного охлаждения и замораживания грунтов оснований зданий и сооружений в районах распространения многолетнемерзлых пород.
Известно, что на многолетнемерзлых грунтах инженерные сооружения возводятся главным образом с сохранением оснований в мерзлом состоянии. Однако мерзлые грунты как основания надежны только при сохранении расчетных отрицательных температур под фундаментами сооружений. Во многих же случаях температура многолетнемерзлых грунтов под фундаментами в процессе эксплуатации сооружений повышается и прочность мерзлых оснований вследствие этого снижается, развивается пластическая деформация под постоянно действующей нагрузкой, что зачастую сопровождается неравномерными осадками с повреждением и даже разрушением сооружений.
Одним из способов сохранения расчетной отрицательной температуры мерзлых оснований под сооружениями является использование искусственного замораживания талых или охлаждения мерзлых грунтов оснований с применением парожидкостных охлаждающих устройств - двухфазных термосифонов и/или гравитационных тепловых труб, работа которых основана на конвекции легкокипящего жидкого теплоносителя (тоже хладагента) под влиянием естественной разности температур охлаждаемого массива грунта и атмосферного воздуха.
Известны устройства для глубинного замораживания грунта, выполненные в виде гравитационных тепловых труб, содержащих герметичный выполненный с возможностью заправки теплоносителем корпус с зонами испарения, конденсации и транспортной зоны между ними. Корпус выполнен с протяженной зоной испарения, имеющей постоянный по длине диаметр, а зона конденсации известных устройств представляет собой надземную часть корпуса, выполненную с оребрением (RU 2327940 С1, МПК F28D 15/00, опубликовано 27.06.2008; RU 2387937 С1, МПК F28D 15/02, опубликовано 27.04.2010; RU 106726 U1, МПК F24J 3/08, опубликовано 20.07.2011; RU 108581 U1, МПК F28D 15/00, опубликовано 20.09.2011).
Недостатками известных устройств является недостаточная активная поверхность конденсатора для его теплообмена с наружным воздухом, чтобы воспринимать равнозначно отводимое от грунта количество теплоты. Увеличение активной поверхности конденсатора может достигаться за счет увеличения длины конденсаторной зоны, что не всегда приемлемо. Кроме того, постоянный диаметр испарительной зоны корпуса приводит к затруднению монтажа устройства из-за большой массы.
Наиболее близкой к предлагаемой является устройство, включающее гравитационную тепловую трубу (RU 2349852 С1, МПК F28D 15/00, опубликовано 20.03.2009), содержащую герметичный частично заправляемый хладагентом корпус с зонами испарения, конденсации и транспортной зоной, в которой корпус в зоне конденсации выполнен в виде одного или нескольких оребренных патрубков, соединенных с отверстиями в боковой поверхности корпуса в транспортной зоне. Однако конструкция конденсаторной зоны известного устройства не обеспечивает разделение газовой и жидкостной составляющих хладагента, и возникающая сила трения паров и жидкости увеличивает внутреннее термическое сопротивление, что снижает интенсивность теплообмена. Кроме того, эффективность теплоотвода зависит от скорости движения пара из зоны испарения в зону конденсации и скорости его конденсации. Это особенно важно при вводе устройства в работу.
Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение несущей способности грунтов оснований и фундаментов путем их охлаждения в толще, превышающей 14 метров, повышение эффективности и надежности работы устройства и упрощение монтажа и демонтажа конструкции.
Решение поставленной задачи достигается тем, что охлаждающее устройство для глубинной температурной стабилизации грунтов оснований зданий и сооружений, содержит герметичный трубчатый корпус с зонами испарения, конденсации и транспортной зоной между ними, выполненный с возможностью заправки теплоносителем. Согласно изобретению, корпус содержит теплообменник, который включает трубу конденсаторной зоны корпуса, ресивер, выполненный из трубы большего диаметра, чем диаметр трубы корпуса, имеющий заглушку сверху и герметично установленный на конце трубы конденсаторной зоны корпуса и предназначенный для увеличения интенсивности всасывания паров хладагента; не менее двух полых отводящих трубок, диаметр которых меньше диаметра трубы корпуса, выполненных с внешним оребрением, расположенных вертикально вокруг трубы конденсаторной зоны корпуса и соединенных верхними патрубками с ресивером, а нижними патрубками с полостью зазора, образованного внутренними стенками муфты, соединяющей нижнюю часть трубы конденсаторной зоны корпуса с внешней опорной втулкой, приваренной к верхнему участку трубы транспортной зоны, и приемной втулкой, через которую в ресивер всасываются пары хладагента. Приемная втулка выполнена в виде отрезка трубы меньшего диаметра, чем диаметр корпуса, соединена через переходник с нижним концом трубы конденсаторной зоны и размещена частично в верхней части трубы транспортной зоны корпуса с зазором относительно ее внутренней боковой поверхности. Верхняя кромка опорной втулки имеет скос в сторону продольной оси корпуса, что обеспечивает распределение конденсата по внутренней стенке трубы корпуса.
Таким образом, пары, образованные в результате кипения хладагента в испарительной зоне корпуса, поступают через приемную втулку в трубу конденсаторной зоны и в ресивер, где распределяются по отводящим трубкам и под воздействием отрицательных температур окружающей среды конденсируются на их внутренних поверхностях и по стенкам отводящих трубок конденсат стекает в зазор между приемной втулкой и муфтой, затем по скосу верхней кромки опорной втулки он попадает в зазор между приемной втулкой и корпусом и стекает в испарительную часть корпуса, распределяясь при этом по его внутренней стенке.
Для удобства монтажа конструкции и в целях экономии хладагента труба корпуса в зоне испарения выполнена с переменным сечением, и имеет хотя бы один переход на трубу меньшего диаметра.
Повышение теплопередающей способности устройства за счет лучшей теплоотдачи в окружающую среду при увеличении длины испарительной зоны корпуса достигается развитием активной поверхности теплообменника, а именно за счет увеличения количества оребренных отводящих трубок теплообменника следующим образом:
- при длине испарительной зоны корпуса от 20 до 30 метров теплообменник содержит 3 отводящие трубки;
- при длине испарительной зоны корпуса от 30 до 40 метров теплообменник содержит 4 отводящие трубки;
- при длине испарительной зоны корпуса от 40 до 50 метров теплообменник содержит 5 отводящих трубок;
- при длине испарительной зоны корпуса свыше 50 метров теплообменник содержит 6 отводящих трубок.
Кроме того, теплопередающая способность теплообменника может быть увеличена за счет применения покрытия на внутренней поверхности оребренных отводящих трубок, обладающего свойствами капельной конденсации, например, фторопластовое покрытие с добавками, повышающими коэффициент теплопроводности покрытия по сравнению с пленочной конденсацией, наблюдающейся на стенках гладких металлических труб.
Скапливающийся в нижней части ресивера конденсат переносится в полость трубы испарительной зоны корпуса по переливу, выполненному в виде трубки малого круглого сечения, соединяющей ресивер с полостью корпуса через отверстие в муфте.
Верхняя часть корпуса зоны испарения устроена в трубе кондуктора, который обеспечивает жесткость корпуса на границе планировочной поверхности и защищает корпус от неблагоприятного воздействия слоя сезонного оттаивания.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показано охлаждающее устройство - общий вид; на фиг.2 - то же, разрез по линии А-А.
Охлаждающее устройство для глубинной температурной стабилизации грунтов оснований зданий и сооружений содержит герметичный трубчатый корпус 1 с зонами испарения 2, конденсации 3 и транспортной зоной 4 между ними, выполненный с возможностью заправки теплоносителем. Согласно изобретению, корпус содержит теплообменник, который включает трубу корпуса 1 зоны конденсации 3, ресивер 5, выполненный из трубы большего диаметра, чем диаметр трубы корпуса, имеющий заглушку 6 сверху и герметично установленный на конце трубы корпуса 1 конденсаторной зоны 3 и предназначенный для увеличения скорости всасывания паров хладагента. Теплообменник содержит не менее двух полых отводящих трубок 7, диаметр которых меньше диаметра трубы корпуса 1, выполненных с внешним оребрением, расположенных вертикально вокруг трубы конденсаторной зоны корпуса 1 и соединенных верхними патрубками 8 с ресивером 5, а нижними патрубками 9 с полостью зазора, образованного внутренними стенками муфты 10, соединяющей нижнюю часть трубы конденсаторной зоны корпуса 1 с внешней опорной втулкой 11, приваренной к верхнему участку трубы транспортной зоны корпуса 1, и приемной втулкой 12, причем кромка опорной втулки имеет скос (на чертеже не показан) в сторону продольной оси корпуса, что обеспечивает стекание конденсата по внутренней стенке трубы корпуса 1 зоны испарения.
Разделение жидкой и газовой составляющих обеспечивается приемной втулкой 12, которая через переход 13 приварена к нижнему концу трубы конденсаторной зоны корпуса 1 и в которую поступают пары хладагента, образованные в результате кипения хладагента в зоне испарения 2. Приемная втулка 12 выполнена в виде отрезка трубы меньшего диаметра, чем диаметр корпуса и размещена частично в верхней части трубы транспортной зоны корпуса 1 с зазором относительно внутренней боковой поверхности корпуса 1. Для удобства монтажа конструкции и в целях экономии хладагента труба корпуса 1 в зоне испарения 2 выполнена с переменным сечением, и имеет хотя бы один переход 14 на трубу меньшего диаметра.
Повышение теплопередающей способности устройства за счет лучшей теплоотдачи в окружающую среду при увеличении длины испарительной зоны корпуса достигается развитием активной поверхности теплообменника за счет увеличения количества полых оребренных отводящих трубок 7 теплообменника следующим образом:
- при длине испарительной зоны корпуса от 20 до 30 метров теплообменник содержит 3 отводящие трубки;
- при длине испарительной зоны корпуса от 30 до 40 метров теплообменник содержит 4 отводящие трубки;
- при длине испарительной зоны корпуса от 40 до 50 метров теплообменник содержит 5 отводящих трубок;
- при длине испарительной зоны корпуса свыше 50 метров теплообменник содержит 6 отводящих трубок.
Кроме того, теплопередающая способность теплообменника может быть увеличена за счет применения покрытия на внутренней поверхности оребренных отводящих трубок (на чертеже не показана), обладающего свойствами капельной конденсации, например, фторопластовое покрытие с добавками, повышающими коэффициент теплопроводности покрытия по сравнению с пленочной конденсацией, наблюдающейся на стенках гладких металлических труб.
Скапливающийся в ресивере конденсат переносится в полость трубы испарительной зоны корпуса по переливу 15, выполненному в виде трубки малого круглого сечения, соединяющей ресивер с полостью корпуса через отверстие в муфте.
Верхняя часть корпуса зоны испарения устроена в трубе 16 кондуктора, который обеспечивает жесткость корпуса на границе планировочной поверхности и защищает корпус от неблагоприятного воздействия слоя сезонного оттаивания.
Работает устройство следующим образом.
Жидкий теплоноситель - хладагент, находясь в подземной части устройства - в испарительной зоне 2 корпуса 1 - закипает, поглощая тепло от грунта и охлаждая его. Пар, образованный в результате кипения хладагента в испарительной зоне 2 корпуса 1, поднимается и через приемную втулку 12 поступает в трубу конденсаторной зоны 3 корпуса 1 и в ресивер 5, где распределяется по полым отводящим трубкам 8, выполненным с внешним оребрением,  внутренняя поверхность которых покрыта, например, фторопластовым покрытием с добавками, повышающими коэффициент теплопроводности покрытия и под воздействием отрицательных температур окружающей среды конденсируется на их внутренних поверхностях в виде капель. Образовавшийся конденсат под действием силы тяжести стекает по стенкам отводящих трубок 7 в зазор между приемной втулкой 12 и муфтой 10, затем по скосу верхней кромки опорной втулки 11 он, распределяясь по внутренней стенке корпуса, попадает в зазор между приемной втулкой 12 и корпусом 1 и стекает в виде пленки по стенке корпуса 1 в испарительную зону 2 корпуса. Испаряющаяся пленка конденсата охлаждает грунт, а ее оставшаяся часть стекает в нижнюю часть испарительной зоны корпуса, где также испаряется.
Таким образом, процессы испарения и конденсации в устройстве протекают непрерывно, обеспечивая постоянную передачу тепла из охлажденного грунта в атмосферу.
Преимущества предложенного устройства перед известными заключаются в том, что изменение количества отводящих трубок в зависимости от длины испарительной зоны корпуса, повышение интенсивности всасывания паров хладагента, разделение жидкостной и газовой составляющих хладагента и применение увеличивающего коэффициент теплоотдачи покрытия, нанесенного на внутренние стенки отводящих трубок, в теплообменнике, а также уменьшение поперечного сечения трубы испарительной зоны корпуса при ее большой протяженности обеспечивают интенсивное промораживание грунта на разных глубинах свыше 14 метров, повышают надежность работы устройства и упрощает монтаж и демонтаж устройства при больших длинах испарительной зоны.