Способ охлаждения подземных сооружений в массиве многолетнемерзлых горных пород и устройство для его осуществления
METHOD OF COOLING UNDERGROUND STRUCTURES IN MASSES OF PERMAFROST ROCKS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к горной теплофизике и предназначено для охлаждения в теплое время года подземных сооружений, построенных в толще многолетнемерзлых горных пород.
Известен «СПОСОБ ТЕРМОСТАТИЧЕСКОГО ХРАНЕНИЯ ПРОДУКТОВ И СИСТЕМА ТЕРМОСТАТИЧЕСКОГО ХРАНЕНИЯ ПРОДУКТОВ», RU 2052740 [1], путем подачи атмосферного воздуха в холодный период года для дозарядки расположенного в грунте аккумулятора холода и прокачки хладагента через закрытую полость, размещенную в хранилище замкнутого циркуляционного контура, подачу атмосферного воздуха ведут в слое грунта, близком к его термической границе, с образованием резервата холода в виде литосферного льдогрунтового массива с использованием грунтовой влаги, причем через последний принудительно продолжают подавать атмосферный воздух, а охлаждение хладагента перед прокачкой в хранилище ведут в льдогрунтовом массиве.
Недостатками известной конструкции являются высокая сложность и стоимость сооружения и высокие энергетические затраты на поддержание низких температур в хранилище.
Известно «УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХРАНЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРОДУКТОВ», RU 2023383 [2], включающее подземное сооружение, минимум одну горизонтальную трубу в грунте и минимум одну вертикально ориентированную трубу, выступающую над поверхностью земли, причем внутренние объемы вертикальной и горизонтальной труб соединены.
Известная конструкция позволяет резко снизить эксплуатационные энергетические затраты и повысить надежность хранилища по сравнению с [1].
Недостатком известной конструкции является высокая сложность и стоимость изготовления тепловых труб с термокомпенсаторами и теплоносителем, низкая надежность устройства и невозможность получения существенных отрицательных стабильных температур. Кроме того, недостатком является трудозатратность регулировки температур, обусловленная необходимостью монтажа и демонтажа съемной теплоизоляции, приводящая к износу теплоизоляции и необходимости ее периодической замены, что в свою очередь приводит к повышению эксплуатационных расходов и отсутствию автономности хранилища.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности, снижение энергетических затрат, повышение автономности криохранилища и обеспечение низких отрицательных температур в подземных сооружениях в течение всего года.
Технический результат достигается тем, что способ охлаждения в летнее время подземных сооружений в массиве многолетнемерзлых горных пород, характеризующийся осуществлением аккумулирования холода в верхней части массива мерзлых грунтов в зимнее время посредством сезонно действующего воздушного охлаждающего устройства, при этом подземное сооружение располагают на глубине, обеспечивающей достижение этой глубины первой температурной волны от труб охлаждающего устройства в момент прекращения циркуляции холодного воздуха, которая определяется по формуле:
где
1
h - глубина сезонного оттаивания грунтов, в подошве которой располагают трубы охлаждающего устройства, м;
τ - продолжительность работы охлаждающего устройства в холодное время года (принимаемая равной времени запаздывания температурной волны на глубине расположения подземного сооружения) за сезон, ч;
3
λ и С - средние значения коэффициента теплопроводности, Вт/(м⋅К), и объемной теплоемкости грунтов, Дж/(м⋅К), в кровле подземного сооружения;
Т - амплитуда колебаний температуры наружного воздуха, К.
2
1
Ширина полосы расположения горизонтальных охлаждающих труб определяется из равенства B=2(h-h)+в, а количество труб n=В/l, в - ширина подземного сооружения; l - расстояние (шаг) между трубами, определяемое теплотехническим расчетом.
Предлагается также устройство для охлаждения в летнее время подземных сооружений в массиве многолетнемерзлых горных пород, включающее два независимых воздушных охлаждающих устройства (ОУ-1 и ОУ-2), каждое из которых включает как минимум одну горизонтальную охлаждающую трубу в грунте и как минимум две вертикально ориентированные трубы, выступающие над поверхностью земли, причем внутренние объемы вертикальных и горизонтальных труб соединены, при этом как минимум одна горизонтальная охлаждающая труба одного охлаждающего устройства (ОУ-1) уложена в грунт вплотную к боковой стенке подземного сооружения на уровне середины его высоты, а как минимум одна горизонтальная охлаждающая труба второго охлаждающего устройства (ОУ-2) уложена в основании слоя сезонного оттаивания (на верхней поверхности толщи многолетнемерзлых грунтов).
Количество вертикально ориентированных труб может равняться четырем, причем каждая труба верхним концом выполнена сообщающейся с атмосферой, нижние концы вертикально ориентированных труб соединены каждый со своим коллектором, два из которых расположены на глубине слоя сезонного оттаивания, другие два расположены рядом с охлаждаемым помещением на уровне середины его высоты, между соответствующими коллекторами расположены горизонтальные параллельные трубы, площади поперечного сечения вертикальных труб равны площади поперечного сечения коллекторов. Указанное выполнение обеспечит максимальное охлаждение горизонтальных труб и окружающего трубы грунта в зимний период.
Верхний конец одной вертикальной трубы, отходящей от коллектора, расположен выше высоты максимального снежного покрова, причем вторая труба, отходящая от коллектора, противоположного упомянутому, расположена на высоте 3-5 м от поверхности земли. Разновысотное положение верхних концов труб позволит обеспечить разность давлений воздуха для получения устойчивой конвекции воздуха в холодное время года.
В зимнее время циркулирующий холодный воздух в горизонтальной трубе ОУ-1 охлаждает подземное сооружение и аккумулирует холод в окружающих мерзлых породах для частичного охлаждения подземного сооружения в летнее время. Основной холод для летнего охлаждения подземного сооружения аккумулируется в верхних слоях массива многолетнемерзлых пород с помощью ряда горизонтальных труб ОУ-2, расположенных в основании слоя сезонного оттаивания (протаивания), по которым движется холодный воздух, а подземное сооружение располагают на такой глубине, при которой холодные температурные волны от горизонтальных охлаждающих труб ОУ-2 поступают в подземное сооружение в течение всего лета, а начальная холодная температурная волна достигает подземного сооружения в момент прекращения периода зимнего его охлаждения, определяемой формулой (1).
На фиг. 1 изображена принципиальная схема, поперечный разрез, на фиг. 2 изображен вид сверху воздушного охлаждающего устройства для осуществления способа, где
1 - вертикальная труба для нисходящего потока холодного воздуха ОУ-1;
2 - горизонтальные охлаждающие трубы ОУ-1;
3 - вертикальная труба для восходящего потока воздуха ОУ-1;
4 - коллекторы ОУ-1;
5 - вертикальные трубы для нисходящего потока холодного воздуха ОУ-2;
6 - горизонтальные охлаждающие трубы ОУ-2;
7 - вертикальные трубы для восходящего потока воздуха ОУ-2;
8 - коллекторы ОУ-2;
9 - вертикальные шахтные стволы обслуживания и загрузки;
10 - подземное сооружение;
11 - нижняя граница слоя сезонного оттаивания;
12 - глубина слоя сезонного оттаивания;
13 - ширина подземного сооружения;
14 - расстояние между горизонтальными трубами ОУ-2.
Воздушное охлаждающее устройство конвективного действия ОУ-1 содержит две охлаждающие металлические трубы 2, горизонтально расположенные рядом с подземным сооружением 10, и соединенные с ними два металлических коллектора 4 и две вертикальные трубы для нисходящего потока воздуха 1 и для восходящего потока воздуха 3, соединенные с коллекторами.
Воздушное охлаждающее устройство конвективного действия ОУ-2 содержит ряд охлаждающих металлических труб 6, горизонтально расположенных в основании слоя сезонного оттаивания 11, и соединенные с ними металлические коллекторы 8 и две вертикальные трубы для нисходящего потока воздуха 5 и для восходящего потока воздуха 7, соединенные с коллекторами.
Суммарная площадь поперечного сечения горизонтальных охлаждающих труб ОУ равна площади поперечного сечения коллектора и вертикальной трубы. Вертикальные трубы ОУ возвышаются над поверхностью земли: для нисходящего потока воздуха 1 и 5 на максимальную высоту снежного покрова, для восходящего потока воздуха 3 и 7 - на 3-5 м. Вытяжные вертикальные трубы 3 и 7 выполнены из материала с низкой теплопроводностью или из теплоизолированного металла.
2
Подземное сооружение 10 расположено на глубине h, определяемой формулой (1).
В шахтах обслуживания и загрузки 9 расположено оборудование для спуска и подъема персонала и грузов, размещения электрических кабелей и прочего оборудования. Расстояние 15 между горизонтальными трубами ОУ-2 рассчитывается теплотехническими расчетами, исходя из ширины подземного сооружения 13 и глубины сезонного оттаивания 12.
Устройство действует следующим образом.
При понижении температуры атмосферного воздуха ниже температуры грунтов непосредственно вокруг горизонтальных труб 2 ОУ-1 и 6 ОУ-2 под действием разности давлений столбов воздуха в основании вертикальных труб 1 и 3 ОУ-1, 5 и 7 ОУ-2 происходит движение холодного воздуха через коллекторы 4 ОУ-1 и 8 ОУ-2 по горизонтальным трубам 2 ОУ-1 и 6 ОУ-2, охлаждая окружающие грунты. Сезонная работа охлаждающих устройств прекращается при повышении температуры атмосферного воздуха выше температуры охлажденных грунтов вокруг горизонтальных труб 2 и 6.
1
2
Горизонтальные трубы 2 ОУ-1, расположенные в грунте вплотную к боковой стенке подземного сооружения 10 на уровне середины его высоты, в течение холодного периода охлаждают его и аккумулируют холод в окружающих мерзлых породах для частичного охлаждения подземного сооружения в летнее время. Основной холод для летнего охлаждения подземного сооружения 10 аккумулируется в верхних слоях массива многолетнемерзлых пород с помощью горизонтальных труб 6 ОУ-2. Первая температурная волна от охлаждающих труб 6, расположенных в основании слоя сезонного оттаивания на глубине h достигает подземного сооружения 10, расположенного на глубине h, через промежуток времени δ, равный продолжительности работы охлаждающих устройств, и холодные температурные волны из охлажденного в зимнее время массива мерзлых пород в подземное сооружение продолжают поступать в течение всего лета. Продолжительность работы охлаждающих ОУ-2 должена быть не менее 6-ти месяцев. Это ограничивает применение предлагаемого устройства по климатическому фактору.
Технический результат - повышение надежности - достигается применением широко распространенных и достаточно прочных металлических горизонтальных и вертикальных труб, без специального теплоносителя и необходимости полной герметизации с термокомпенсаторами, которые существенно снижают надежность устройства. Повышенная надежность также достигается отсутствием напорного или вентиляционного оборудования и, соответственно, отсутствием пускорегулирующей аппаратуры, питающейся от внешней электросети, имеющей отличную от нуля вероятность отказа. Технический результат - снижение энергетических затрат - обусловлен автоматическим охлаждением грунта, прилегающего к горизонтальным трубам в зимнее время без специальных напорных устройств, при обеспечении существенных отрицательных стабильных температур. Технический результат - повышение автономности криохранилища - обеспечивается возможностью автоматической работы охлаждающей системы без обязательного участия человека, что дополнительно снижает эксплуатационные расходы по содержанию криохранилища.
Промышленное применение
Способ и устройство осуществлены при строительстве в г. Якутске первого в мире Федерального криохранилища семян растений, полностью основанного на использовании естественного холода без применения напорных механизмов. В зимнее время окружающий криохранилище массив горных пород охлаждается с помощью воздушного устройства конвективного действия, горизонтальные каналы которого проложены за крепью сооружения. Для летнего охлаждения горизонтальные трубы соединены коллекторами, уложены в траншеи, выкопанные до верхней поверхности многолетнемерзлых горных пород над криохранилищем и засыпанные грунтом. Коллекторы соединены с вертикальными трубами для нисходящего и восходящего потоков атмосферного воздуха.