УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ГРУНТА С ПРОТЯЖЕННОЙ ЗОНОЙ ИСПАРЕНИЯ

Полезная модель относится к теплотехнике, более конкретно - к средствам для охлаждения грунта на основе гравитационных тепловых труб с протяженной зоной испарения.
Известны устройства для охлаждения грунта в виде гравитационной тепловой трубы, содержащей герметичный частично заполненный теплоносителем корпус с зонами испарения, конденсации и транспортной зоной (см., например, патенты Российской Федерации на изобретение №2327940 (опубл. 27.06.2008) [1] и на полезную модель №68108 (опубл. 10.11.2007) [2]). Указанные известные устройства имеют жесткий корпус и, следовательно, фиксированную геометрическую форму, определяемую формой гравитационной тепловой трубы. В частности, в устройстве по патенту [1] труба - прямая, а в устройстве по патенту [2] труба изогнута под углом, близким к прямому. Такие устройства неудобны для транспортирования, особенно когда зона испарения является протяженной и может иметь длину порядка нескольких десятков метров.
Известно также устройство для охлаждения грунта по патенту Российской Федерации на изобретение №2387937 (опубл. 27.04.2010) [3]. В этом устройстве корпус гравитационной тепловой трубы в зоне испарения и в транспортной зоне или в какой-либо одной из этих зон имеет одну или несколько вставок, выполненных в виде сильфона, заключенного в эластичный металлический чулок. При этом вставка снабжена жесткой съемной обоймой для фиксации взаимного положения секций корпуса, между которыми расположена вставка. Жесткая съемная обойма выполнена с возможностью размещения вокруг указанного чулка и крепления ее к примыкающим к вставке секциям корпуса. Такая конструкция позволяет изготавливать устройство в заводских условиях и транспортировать на стройку в сложенном состоянии, не требуя использования транспортных средств, предназначенных для перевозки грузов с особо крупными габаритами. При установке устройства на объекте корпус трубы раскладывают, а на сильфоны устанавливают футляры для придания корпусу требуемой формы.
Однако наличие в данном устройстве сильфонов и устанавливаемых на них футляров конструктивно усложняет его, повышает стоимость и снижает эксплуатационную надежность. Размеры секций корпуса, между которыми установлены вставки в виде сильфонов, фиксированы, что накладывает ограничения на выбор тары для транспортирования устройства, либо приводит к необходимости подбирать размеры секций корпуса при проектировании и изготовлении трубы, ориентируясь на доступные тару и транспортные средства. Кроме того, данное устройство трудно погрузить в скважину вследствие непостоянства его поперечного размере по длине (секции корпуса и расположенные между ними сильфоны с футлярами имеют разные диаметры). По этой же причине снижается тепловая эффективность устройства, размещенного в скважине.
Известное устройство по патенту [3] наиболее близко к предлагаемому.
Техническое решение по предлагаемой полезной модели направлено на достижение технического результата, заключающегося в упрощении конструкции, повышении эксплуатационной надежности и тепловой эффективности, обеспечении более удобного транспортирования и установки на объекте устройства для охлаждения грунта с гравитационной тепловой трубой, имеющей протяженную зону испарения. Ниже при раскрытии сущности предлагаемого устройства и описании частных случаев его выполнения будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Устройство для охлаждения грунта по предлагаемой полезной модели, как и наиболее близкое к нему известное устройство по патенту [3], содержит гравитационную тепловую трубу, имеющую герметичный выполненный с возможностью заправки теплоносителем корпус с зонами испарения, конденсации и транспортной зоной между ними.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом устройстве, в отличие от указанного наиболее близкого к нему известного, корпус гравитационной тепловой трубы в зоне испарения и транспортной зоне выполнен из легкодеформируемого металла, причем вдоль обеих этих зон или одной из них, по меньшей мере на части их длины, расположено закрепленное на корпусе гравитационной трубы жесткое поддерживающее средство, а указанный корпус имеет постоянный по длине диаметр.
Описанное выполнение предлагаемого устройства позволяет осуществлять его окончательную сборку с установкой жесткого поддерживающего средства непосредственно на том объекте, где устройство для охлаждения грунта будет эксплуатироваться. Доставка к объекту наиболее сложной и требующей осторожного обращения при транспортировании части устройства - гравитационной тепловой трубы - может осуществляться отдельно практически любым видом транспорта, имеющим достаточную грузоподъемность, поскольку гравитационная тепловая труба, корпус которой выполнен из легко деформируемого металла, может быть уложена компактно (свернута в спираль, согнута змейкой, и т.п.). При этом для использования в качестве другой части устройства - жесткого поддерживающего средства, обеспечивающего необходимую прямолинейную или изогнутую форму корпуса гравитационной тепловой трубы - пригодны различные протяженные металлические изделия, доставленные на объект для проведения обычных строительных работ. Благодаря тому, что диаметр корпуса гравитационной тепловой трубы постоянен по его длине, корпус может быть соединен с жестким поддерживающим средством при минимальным зазоре между ними. Это способствует уменьшению теплового сопротивления между корпусом гравитационной тепловой трубы в зоне испарения и грунтом и, следовательно, повышению тепловой эффективности устройства. Вместе с тем названные факторы в совокупности обеспечивают технологическую простоту изготовления и установки устройства на объекте, его эксплуатационную надежность и сохранность при транспортировании.
В частности, жесткое поддерживающее средство может представлять собой защитную трубу, в которой размещен корпус гравитационной тепловой трубы в указанных зонах. В этом случае поддерживающее средство может быть закреплено на корпусе гравитационной тепловой трубы с помощью узла фиксации, выполненного, например, в виде двух состыкованных фланцев, один из которых расположен на корпусе гравитационной тепловой трубы, а другой - на торцевой части защитной трубы. Узел фиксации может быть выполнен также в виде стакана, закрепленного своим дном на корпусе гравитационной тепловой трубы таким образом, что стакан охватывает торцевую часть защитной трубы.
Кроме того, жесткое поддерживающее средство может представлять собой прокатный профиль, в частности, угловой или швеллер, прижатый к корпусу гравитационной тепловой трубы в указанных его частях. Жесткое поддерживающее средство может представлять собой также прокатный профиль в виде прутка. Такое выполнение целесообразно, например, если корпус гравитационной тепловой трубы изогнут. Во всех названных случаях жесткое поддерживающее средство может быть закреплено на корпусе, например, с помощью хомутов или простой проволочной скрутки.
Жесткое поддерживающее средство может быть выполнено также в виде съемного кожуха, охватывающего корпус гравитационной тепловой трубы в указанных его частях и выполненного из двух половин, состыкованных по длине. Такой кожух может быть выполнен, например, в виде двух швеллеров с параллельными стенками, обращенных навстречу друг другу своими полками.
Возможно также выполнение жесткого поддерживающего средства в виде комбинации защитной трубы и съемного кожуха.
В этом случае в защитной трубе расположена нижняя часть зоны испарения, а в съемном кожухе - остальная часть зоны испарения и полностью или частично транспортная зона корпуса гравитационной тепловой трубы.
Наличие этих и других возможностей выполнения жесткого поддерживающего средства позволяет осуществить наиболее целесообразный выбор конструкции устройства в зависимости от конкретных условий его изготовления и предстоящей эксплуатации.
Предлагаемое устройство для охлаждения грунта иллюстрируется чертежами фиг.1 - фиг.9, на которых показаны:
- на фиг.1 и фиг.2 - предлагаемое устройство с жестким поддерживающим средством в виде защитной трубы в собранном виде, установленное на объекте, в двух частных случаях выполнения, различающихся конструкцией узла фиксации;
- на фиг.3 - предлагаемое устройство с жестким поддерживающим средством в виде швеллера;
- на фиг.4 - предлагаемое устройство с жестким поддерживающим средством в виде углового прокатного профиля;
- на фиг.5 - предлагаемое устройство с жестким поддерживающим средством в виде прутка;
- на фиг.6 - предлагаемое устройство с жестким поддерживающим средством в виде комбинации защитной трубы и съемного кожуха;
- на фиг.7 - предлагаемое устройство с изогнутым корпусом гравитационной тепловой трубы, снабженное жестким поддерживающим средством в виде прутка;
- на фиг.8 и фиг.9 - гравитационная тепловая труба предлагаемого устройства в транспортном состоянии (два примера).
Предлагаемое устройство для охлаждения грунта (фиг.1, 2) содержит гравитационную тепловую трубу с корпусом 2, имеющим зону 3 испарения, зону 4 конденсации и транспортную зону 5. Корпус 2 в зоне 3 испарения и транспортной зоне 2 заключен в защитную трубу 6, выполняющую функцию жесткого поддерживающего средства. Корпус гравитационной тепловой трубы герметичен и частично заполнен теплоносителем (заправка теплоносителем может осуществляться как на предприятии-изготовителе, так и непосредственно на объекте, где устройство будет эксплуатироваться; элементы, необходимые для заправки теплоносителем, на этих и других чертежах не показаны). Кроме того, в пределах зоны 3 испарения и транспортной зоны 5 или по всей длине, включая зону 4 конденсации, корпус 2 гравитационной тепловой трубы выполнен из легко деформируемого металла, например алюминиевого сплава АД-00. Диаметры корпуса 2 гравитационной тепловой трубы и защитной трубы 6 постоянны по длине этих обеих труб и подбираются так, чтобы был обеспечен наименьший зазор между наружной поверхностью корпуса 2 гравитационной тепловой трубы и внутренней поверхностью защитной трубы 6, благодаря чему достигается минимальное тепловое сопротивление, т.е. максимальный теплосъем. В зоне 4 конденсации корпус 2 гравитационной тепловой трубы снабжен радиатором в виде оребрения 14.
Между транспортной зоной 3 и зоной 4 конденсации, т.е. на границе между этими зонами, установлен узел фиксации, с помощью которого осуществлено соединение корпуса 2 гравитационной тепловой трубы с защитной трубой 6. Торцевая часть защитной трубы 6, противоположная месту установки узла фиксации, заглушена для улучшения выполнения ею защитной функции.
Узел фиксации в частном случае, показанном на фиг.1, представляет собой два фланца 8, 9. При этом один из фланцев (позиция 8) установлен на корпусе 2 гравитационной тепловой трубы, а другой (позиция 9) - на незаглушенной торцевой части защитной трубы 6. Между фланцами может быть установлена прокладка 10 для предотвращения попадания воды в защитную трубу. Фланцы 8 и 9 состыкованы друг с другом с помощью соединительных элементов, например, болтов, пропущенных через соосные отверстия в фланцах, и гаек.
В частном случае, показанном на фиг.2, узел фиксации представляет собой стакан 11, который закреплен своим дном на корпусе 2 гравитационной тепловой трубы таким образом, что охватывает и закрывает верхнюю торцевую часть защитной трубы 6, предотвращая попадание внутрь защитной трубы воды, снега, грунта и посторонних предметов (такую же роль играет и фланцевый узел фиксации по фиг.1). Благодаря тому, что стакан 11 охватывает торцевую часть защитной трубы 6, обеспечивается взаимная фиксация корпуса 2 гравитационной тепловой трубы и защитной трубы 6 от радиальных перемещений.
В обоих описанных частных случаях наличие узла фиксации не позволяет ввести корпус 2 гравитационной тепловой трубы внутрь защитной трубы 6 на длину более необходимой.
При установке устройства на объекте защитная труба 6 должна быть погружена в грунт 40 таким образом, чтобы граница между транспортной зоной 5 и зоной 3 испарения гравитационной тепловой трубы совпадала с поверхностью грунта или имела требуемое заглубление (наряду с тем, как показано на чертежах, предлагаемое устройство может быть размещено в грунте не обязательно вертикально, а поверхность грунта может быть не обязательно горизонтальной).
Как уже говорилось выше, корпус гравитационной тепловой трубы предлагаемого устройства транспортируют в согнутом в спираль или змейкой виде или т.п. образом. При установке устройства на объекте защитную трубу 6 погружают глухим торцом вниз в предварительно пробуренную в грунте скважину, корпус 2 гравитационной тепловой трубы распрямляют и опускают в защитную трубу 6 до смыкания в узле фиксации.
Защитная труба 6 позволяет разместить в грунте 40 зону 3 испарения гравитационной тепловой трубы без опасности ее повреждения на большой глубине (для вертикальных труб) или большой длине (для наклонных труб). Кроме того, защитная труба предохраняет корпус гравитационной тепловой трубы в транспортной зоне от действия изгибных ветровых нагрузок. Как уже отмечалось, внутренний диаметр защитной трубы должен быть подобран для обеспечения наименьшего зазора между нею и корпусом гравитационной тепловой трубы. Для облегчения ввода корпуса гравитационной тепловой трубы в защитную трубу с минимальный зазором указанный первоначально изогнутый корпус при распрямлении пропускают между калибрующими полукруглыми роликами.
На фигурах. 3, 4 и 5 соответственно показано предлагаемое охлаждающее устройство с жестким поддерживающим средством в виде швеллера, углового прокатного профиля и прутка. Крепление швеллера (фиг.3), имеющего стенку 15 и полки 16, к корпусу 2 гравитационной тепловой трубы осуществлено с помощью хомутов 17. Крепление углового профиля 20 (фиг.4) к корпусу 2 гравитационной тепловой трубы также осуществлено с помощью хомутов 17. Крепление прутка 20 (фиг.5) к корпусу 2 гравитационной тепловой трубы осуществлено с помощью проволочных скруток 27. В этих частных случаях выполнения жесткого поддерживающего средства последнее вместе с корпусом гравитационной тепловой трубы опускают в предварительно пробуренную в грунте 40 скважину, после чего оставшееся свободное пространство скважины заполняют песчано-цементной смесью.
Если установка предлагаемого охлаждающего устройства, нуждающегося в вертикальной ориентации гравитационной тепловой трубы, производится в стесненных условиях, то целесообразно использование жесткого поддерживающего средства в виде съемного кожуха или комбинации защитной трубы и съемного кожуха. Это позволяет осуществлять распрямление корпуса гравитационной тепловой трубы, находящегося с сложенном (транспортном) состоянии, не сразу по всей длине, а поэтапно, по мере погружения в грунт. На фиг.6 показано упомянутое комбинированное выполнение. Зона 3 испарения на значительной части ее длины погружена в защитную трубу 6, заглушенную с нижнего торца, которая образует нижнюю часть жесткого поддерживающего средства. Верхняя часть этого средства представляет собой съемный кожух, выполненный из двух одинаковых частей, совместно охватывающих корпус 2 гравитационной тепловой трубы и имеющих линии стыка, ориентированные по продольной оси корпуса гравитационной тепловой трубы. В показанном на фиг.6 случае кожух выполнен из двух одинаковых состыкованных швеллеров 30, стенки которых параллельны, а полки обращены навстречу друг другу. Не показанные на чертеже элементы крепления частей жесткого поддерживающего средства к корпусу 2 гравитационной тепловой трубы могут быть выполнены аналогично описанным выше. Для установки охлаждающего устройства с таким жестким поддерживающим средством сначала пробуривают скважину и делают шурф 36. Затем в грунт 40 погружают защитную трубу 6. В нее вводят по мере распрямления нижнюю часть зоны испарения 3 корпуса 2 гравитационной тепловой трубы. Далее устанавливают кожух, составленный из швеллеров 30, и засыпают шурф 36 грунтом. Кожух охватывает верхнюю часть зоны 3 испарения и транспортную зону 5.
В показанном на фиг.7 случае предлагаемое охлаждающее устройство имеет изогнутый корпус 2 гравитационной тепловой трубы с зоной 3 испарения, расположенной с некоторым наклоном к горизонту. Для придания гибкому корпусу 2 необходимой формы и ее фиксации устройство по фиг.7 имеет жесткое поддерживающее средство в виде соответствующим образом изогнутого прутка 25, закрепленного на корпусе 2 с помощью проволочных скруток 27. В данном случае такое выполнение предпочтительно, так как жесткому поддерживающему средству в виде прутка легко может быть придана необходимая форма. При монтаже такого охлаждающего устройства расправленный корпус 2 гравитационной тепловой трубы в зоне 3 испарения укладывают вдоль соответствующей части прутка 25 на заранее спланированный грунт. Затем осуществляют засыпку зоны 3 испарения грунтом и размещают транспортную зону 5 вдоль выступающего из откоса 41 изгиба прутка 25 и его и вертикальной части.
Наряду с описанными случаями, когда жесткое поддерживающее средство имеет длину, практически равную суммарной длине зоны 3 испарения и транспортной зоны 5, возможны не проиллюстрированные чертежами случаи, когда продольный размер жесткого поддерживающего средства имеет продольный размер менее указанного и когда оно размещено лишь вдоль одной из этих зон. Такие частные случаи менее предпочтительны, однако они могут быть применены, когда конкретные условия не позволяют использовать длинное не только монолитное, но даже составное жесткое поддерживающее средство (например, аналогичное показанному на фиг.6). В этих случаях могут быть использованы, например, лишь съемный кожух, охватывающий только верхнюю часть зоны испарения и транспортную зону, либо укороченная защитная труба, не охватывающая нижнюю часть зоны испарения и (или) транспортную зону.
Гравитационная тепловая труба предлагаемого устройства для охлаждения грунта имеет протяженную зону испарения - несколько десятков (до 25-40) метров. Перед транспортированием к месту установки изготовленную в заводских условиях гравитационную тепловую трубу предлагаемого устройства изгибают и придают ей форму спирали или змеевидную форму (т.е. зигзагообразную форму с плавным сопряжением соседних прямолинейных участков). Названные частные случаи иллюстрируются соответственно фиг.8 и фиг.9. Транспортирование осуществляют на обычном транспорте в защитной таре, после чего устанавливают гравитационную тепловую трубу в рабочее положение, осуществляя соединение с жестким поддерживающим средством в соответствии с приведенным выше описанием.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Под действием перепада температуры теплота из грунта 40 поступает в зону 3 испарения непосредственно и через материал жесткого поддерживающего средства (или только через стенку этого средства, в зависимости от его выполнения). Это вызывает кипение теплоносителя. Пар теплоносителя по транспортной зоне 5 под действием перепада давления поступает в зону 4 конденсации, где конденсируется. Жидкая фаза под действием силы тяжести стекает через транспортную зону 5 в зону 3 испарения, и цикл повторяется. Переносимое теплоносителем тепло из зоны 3 испарения в зону 4 конденсации выделяется в окружающую среду в зоне конденсации, снабженной радиатором в виде оребрения 14.
Устройство по предлагаемой полезной модели может быть использовано как средство замораживания грунта при строительстве фундаментов и оснований различных сооружений, возводимых в районах вечной мерзлоты. В первую очередь к таким объектам следует отнести широкие (более 25 м) насыпи железных и автомобильных дорог, емкости диаметром более 25 м и др.
Источники информации
1. Патент Российской Федерации на изобретение №2327940, опубл. 27.06.2008.
2. Патент Российской Федерации на полезную модель №68108, опубл. 10.11.2007.
3. Патент Российской Федерации на изобретение №2387937,опубл. 27.04.2010.