СПОСОБ АККУМУЛЯЦИИ ХОЛОДА В ГРУНТЕ
METHOD OF COLD ACCUMULATION IN THE GROUND

Заявляемое изобретение относится к строительству на вечномерзлых грунтах и предназначено для создания круглогодичных систем замораживания и температурной стабилизации грунтовых оснований зданий и сооружений.
Известен способ охлаждения грунта путем подачи охлаждающего агента, который циркулирует по змеевику гравитационной тепловой трубы, погруженной в грунт. Циркуляция может быть прекращена или возобновлена, в том числе, под управлением средства, реагирующего на температуру зоны конденсации (см. патент РФ №68108, МПК F28D 15/00, опубл. 10.11.2007 г.).
Рассмотренный способ рассчитан только на работу по парожидкостной (двухфазной) схеме, т.е. с зонами конденсации и испарения, к тому же между этими зонами, в так называемой транспортной зоне, предусматривается дополнительное охлаждение паров теплоносителя при недостаточно холодной температуре окружающего воздуха в зоне конденсации. Наличие дополнительного оборудования препятствует естественному процессу циркуляции паров и сконденсированного хладагента в транспортной зоне. Все это ограничивает эффективность технологии, требует дополнительного энергоёмкого оборудования и удорожает реализацию способа.
Известен способ охлаждения грунта, включающий нагнетание вентилятором холодного воздуха во внутреннюю трубу в обсадной трубе, который затем по межтрубному пространству между обсадной трубой и внутренней трубой поступает на поверхность грунта, или, наоборот, при работе по схеме всасывания холодный воздух с поверхности грунта по межтрубному пространству засасывается внутрь обсадной трубы и по внутренней трубе поступает во всасывающий патрубок вентилятора. Внутренняя труба на конце может иметь эжектирующую насадку (см. патент РФ №2110647, МПК E02D 3/115, опубл. 10.05.1998 г.).
Недостатком известного способа является узкая сфера применимости, необходимость использования внешнего энергоёмкого оборудования и сложность обслуживания подземной части устройства, в том числе эжектирующей насадки, которая подвержена риску возможного засорения и обмерзания.
Известен способ для замораживания почвы, который включает охлаждение холодной среды жидким азотом. Холодный носитель охлаждается холодной средой. В качестве холодной среды используют этанол, бутан, изобутан или пропан. В качестве холодного носителя используют рассол, синтетический солевой раствор или смесь водного гликоля. Холодный носитель вводится в массу грунта через стенку трубы, где передача холода осуществляется от холодного носителя в массу грунта стенкой трубы (см. патент EP2757199, МПК E02D 3/115).
Недостатком известного способа является повышенная сложность его реализации, т.к. кроме необходимости в большом количестве энергоёмкого оборудования требуется еще контроль обслуживающего персонала.
Общим недостатком этих способов является использование энергоёмкого оборудования. Для установки энергоёмкого оборудования нужны временные фундаменты, которые также могут растеплять многолетнемерзлые грунты (ММГ), и от этого тепла тоже нужна защита, особенно в теплое время года. Для обслуживания этого оборудования необходимо присутствие персонала, что для линейных объектов в условиях природной среды расположения ММГ, особенно в теплое время года, нереализуемо. Кроме того, реализация таких способов нуждается во внешнем электроснабжении достаточной мощности, что также не всегда возможно для протяженных линейных объектов.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ аккумуляции холода в грунте, который содержит этапы активного и пассивного замораживания грунта с помощью циркуляции хладагента как минимум в одной колонке, внутри которой установлена внутренняя труба для принудительной подачи охлаждённого хладагента от внешнего насоса, и с удаленной внутренней трубой при естественной циркуляции (см. патент РФ №2039861, МПК E02D 3/115, опубл. 20.07.1995 г.).
Существенным недостатком упомянутого способа является сложность реализации, при которой, например, при переводе с активного на пассивный режим охлаждения возникает необходимость в демонтаже внутренней трубы, а при использовании жидкого хладагента, такого как керосин, не исключены риски экологической нагрузки на окружающую среду. Недостатком является невозможность организации активного охлаждения без энергоёмкого оборудования и узкая сфера применения способа.
Исходя из практики заморозки, поддержания или усиления замороженного состояния грунта в основаниях сооружений, расположенных на ММГ, известно, что период активного охлаждения в теплое время года желателен год или два после строительства. После этого, как правило, достаточно работы любого из известных типов устройств термостабилизации грунта (далее – ТСГ) в холодное время года, но желательно под контролем процесса замораживания. Оптимальным вариантом могло бы быть использование ТСГ в первые годы в режиме активного охлаждения летом и пассивного – зимой, но с условием незначительных затрат на его перевод из режима в режим, особенно при наличии большого количества ТСГ на эксплуатируемом объекте. Оценивать эксплуатационные затраты первых двух лет, с извлечением длинных внутренних труб весной и установкой обратно – осенью, причем с соблюдением коаксиальности, с откачкой и заливкой керосина, установкой и снятием насосно-вентиляционного оборудования и прочими работами, как минимум сложно. И, кроме того, для реализации способа необходимо электрическое питание большой мощности и защита ММГ от растепления, вызванного работой насосно-вентиляционного оборудования.
Сложности, указанные выше, не привели к широкому использованию известных способов. На практике зачастую используют известные конструкции и системы ТСГ, как правило, с двухфазным принципом работы, в которых отсутствует контроль за работой ТСГ, особенно в автоматическом режиме, что приводит к ряду неприятных последствий. Критика однофазных ТСГ во многом обоснована из-за ряда недостатков, преодолеть которые позволяет предлагаемый способ.
Таким образом, из уровня техники не выявлено универсального способа и устройства, применение которых позволило реализовать принципы аккумуляции холода в грунте, лишенных вышеуказанных недостатков.
Технической проблемой настоящего изобретения является создание способа аккумуляции холода в грунте, позволяющего обеспечить быстрое, при необходимости, замораживание грунта в теплое время года, ускорение естественного процесса замораживания грунта и поддержку его замороженного состояния в холодное время года.
Технический результат заключается в предложении способа, который обеспечивает гибкий контролируемый режим замораживания грунта без энергоёмкого оборудования и без растепляющего воздействия от этого дополнительного оборудования на грунт.
Техническая проблема решается тем, что в способе аккумуляции холода в грунте, включающем активное и пассивное замораживание грунта путем циркуляции хладагента в как минимум одной двухтрубной коаксиальной колонке, заглубленной в грунт, с осуществлением при активном замораживании путем принудительной циркуляции хладагента, а при пассивном замораживании - путем естественной циркуляции хладагента, при этом перед началом процесса замораживания замкнутый контур вакуумируют и заполняют хладагентом, согласно решению при активном замораживании в теплое время года хладагент нагнетают внутрь центральной трубы колонки через съемную нагнетательную двухтрубную насадку, устанавливаемую на колонку, охлаждают хладагент путем дросселирования; при активном замораживании в холодное время года хладагент нагнетают через съемную нагнетательную двухтрубную насадку внутрь центральной трубы колонки; при пассивном замораживании в холодное время года используют съемную двухтрубную насадку, устанавливаемую на колонку, с внешним и внутренним оребрением, обеспечивают естественную циркуляцию хладагента по замкнутому контуру – по центральной трубе колонки вниз, по объему между центральной и наружной трубой колонку наверх, а далее вверх по центральной трубе насадки, затем между центральной и наружной трубой насадки вниз в центральную трубу колонки.
Дальнейшее, по тексту, использование термина ТСГ подразумевает под собой однообъёмную систему, состоящую из колонки, насадки и при необходимости внешнего нагнетающего устройства.
При этом под нагнетающим устройством понимается устройство, обеспечивающее необходимый уровень компримирования хладагента и содержащее в своем составе элементы контроля и управления, в том числе и дистанционного, а в случае автономного варианта – источник питания и накопления электрической энергии. Нагнетающее устройство может быть внешним и обеспечивать работу нескольких ТСГ. Количество ТСГ, работающих от одного нагнетающего устройства, определяется необходимостью и технологической возможностью поддержания герметичности общего замкнутого контура всех ТСГ, в особенности, если хладагент будет содержать гелий.
Съемная нагнетательная двухтрубная насадка для активного замораживания может иметь внешнее и внутреннее оребрение. При активном замораживании в теплое и холодное время года внутри или на ней размещают нагнетающее устройство, а самой насадке при необходимости обеспечивают дополнительное крепление. Насадка может содержать автономный источник питания с накопительным аккумулятором, в качестве непосредственных источников энергии использовать солнечную батарею и ветровой генератор. При этом работу нагнетающего устройства осуществляют периодами по мере накопления энергии аккумулятором, а насадке и нагнетающему устройству обеспечивают антивандальную защиту.
Съемная нагнетательная двухтрубная насадка для этапа активного замораживания может быть оборудована внешним и внутренним оребрением, которое в совокупности с аналогичными ореберениями колонки обеспечивают атмосферное охлаждение хладагента.
Съемная двухтрубная насадка для этапа пассивного замораживания содержит дополнительно внутренний лабиринт, устройство которого описано ниже.
В качестве хладагента используют гелий или смесь гелия с газами с количественным содержанием гелия не менее 30%. Для циркуляции хладагента при пассивном замораживании предусматривают дополнительные меры по организации потока хладагента с помощью по крайней мере одного клапана, установленного в насадке.
Способ предусматривает визуальный контроль герметичности и сохранности давления внутри ТСГ, а также дистанционной контроль за температурой хладагента внутри центральной трубы колонки и между центральной трубой и корпусом колонки. При активном замораживании дополнительно организуют дистанционный контроль за электрическим током потребления нагнетающего устройства.
При необходимости корпус колонки ТСГ размещают внутри фундамента. При активном замораживании корпус колонки или его нижнюю часть можно располагать горизонтально или под углом к вертикали. При активном замораживании сводов корпус колонки располагают на замораживаемых сводах, при этом насадку располагают в нижней части колонки.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 схематически показан принцип реализации способа аккумуляции холода в грунте согласно этапу активного замораживания в теплое время года, по варианту комплектации внешним нагнетающим устройством и насадкой, снабженной внешним и внутренним оребрением.
На фиг. 2 схематически показан принцип реализации способа аккумуляции холода в грунте согласно этапу пассивного замораживания.
На фиг. 3 - разрез А-А фиг. 1.
На фиг. 4 схематически показан принцип реализации способа аккумуляции холода в грунте согласно этапу пассивного замораживания с использованием клапана (фрагмент).
На фиг. 5 схематически показан принцип реализации способа аккумуляции холода в грунте по организации визуального контроля герметичности и сохранности давления внутри замкнутого контура циркуляции хладагента (фрагмент).
Позициями на чертежах обозначено:
1. Двухтрубная коаксиальная колонка;
2. Двухтрубная насадка;
3. Внешнее оребрение колонки;
4. Внутреннее вертикальное оребрение колонки;
5. Поток хладагента;
6. Нагнетающее устройство;
7. Дросселирующее устройство;
8. Центральная труба колонки;
9. Внешнее оребрение насадки;
10. Центральная труба насадки;
11. Внутреннее вертикальное оребрение насадки;
12. Клапан;
13. Заправочный штуцер;
14. Сигнальный элемент;
15. Мембрана;
16. Колпак.
Способ аккумуляции холода в грунте осуществляют в виде этапов, различающихся по типу замораживания (активное и пассивное), при этом этапы активного замораживания могут осуществляться круглогодично, а этап пассивного замораживания - только в холодное время года. Холодным временем года считается период, когда разница температур воздуха и грунта обеспечивает процесс естественной циркуляции хладагента. Этапы способа осуществляют путем отвода тепла из грунта вокруг двухтрубной коаксиальной колонки в окружающую атмосферу с помощью циркуляции хладагента, при этом используют сменные, различной функциональности и универсальные по креплению насадки на двухтрубную колонку.
На этапе активного замораживания грунта в теплое время года (фиг. 1) дросселируют хладагент 5 внутрь центральной трубы 8 колонки 1 за счет нагнетающего устройства 6. Хладагент 5 охлаждается за счет работы дросселирующего устройства 7 и циркулирует по замкнутому контуру – по центральной трубе 8 колонки 1 вниз, по объему между центральной трубой 8 и корпусом колонки 1 наверх через насадку 2 в нагнетающее устройство 6, а затем через нагнетающее устройство 6 и насадку 2 обратно внутрь центральной трубы 8 колонки 1. Перед реализацией этапа общий объем замкнутого контура ТСГ, состоящего из насадки 2, колонки 1 и нагнетающего устройства 6, заполняют хладагентом 5, предварительно провакуумировав. Этот этап позволяет, по завершении строительной части и не дожидаясь холодного времени года, производить заморозку грунта. Использование в качестве хладагента 5 гелия или смеси гелия с газами с количественным содержанием гелия не менее 30% позволяет снизить энергозатратность способа. Смесь газов при этом не должна содержать водяные пары или газы, которые способствуют коррозионному разрушению элементов ТСГ.
Этап активного замораживания в холодное время года исключает операцию дросселирования, что позволяет использовать тоже нагнетающее устройство 6, т.к. его энергия расходуется только на циркуляцию хладагента 5. Этот этап позволяет с максимальной эффективностью использовать холодное время года за счет более интенсивного теплообмена грунта с атмосферой при принудительной циркуляции и дополнительного охлаждения хладагента 5 за счет внешнего и внутреннего вертикального оребрения (9, 11 соответственно) насадки 2.
Таким образом, нагнетательная насадка для этапа активного замораживания грунта:
– в теплое время года содержит дросселирующее устройство 7, обеспечивающее снижение температуры хладагента 5, основанное на эффекте Джоуля-Томсона. При варианте реализации способа с автономным источником питания и накопительным аккумулятором работу нагнетающего устройства 6 осуществляют периодами, по мере накопления энергии аккумулятором и преимущественно в темное время суток, когда тепловое воздействие от солнечных лучей на надземное оборудование ТСГ минимально;
– в холодное время года обеспечивает дополнительное снижение температуры хладагента 5 за счет теплопередачи в окружающий воздух через внутреннее и внешнее оребрение (11, 9 соответственно) насадки 2. Конструктивным отличием является отсутствие дросселирующего устройства 7, что позволяет эффективней использовать мощность нагнетающего устройства 6.
Этап пассивного замораживания в холодное время года (фиг. 2) позволяет, в том числе, используя в качестве хладагента 5 гелий и гелийсодержащий газ, осуществлять циркуляцию хладагента 5 естественным образом за счет разности температур грунта и воздуха с большей эффективностью. Этому, кроме известных физико-химических свойств гелия, способствует и то, что насадка 2 имеет внешнее и внутреннее вертикальное оребрение (9, 11 соответственно), а также то, что внутри насадки 2 меняются местами расположения восходящего и нисходящего потоков хладагента 5. Восходящий поток, несущий тепло грунта по объему между центральной трубой 8 и корпусом колонки 1, переходит в центральную трубу 10 насадки 2, доходит по ней до верха насадки 2 и переходит в объем между центральной трубой 10 и корпусом насадки 2, где отдает тепло окружающей атмосфере через внутреннее вертикальное и внешнее оребрение (11, 9 соответственно) насадки 2 и переходит в центральную трубу 8 колонки 1. Таким образом, существенным отличием от известных способов организации работы однофазных ТСГ является использование для теплопередачи от грунта к хладагенту и от хладагента к окружающему воздуху внутренних оребрений (11 и 4) соответственно насадки 2 и колонки 4. Причем внутри колонки 1 внутреннее оребрение 4 размещается в тех местах, в которых эта теплопередача наиболее уместна – верху, в области внешнего оребрения 3 и внизу, в области замораживания грунта.
Предлагаемое способом улучшение теплопередачи в колонке и насадке создаст дополнительные эффекты и позволит:
а) осуществлению естественной циркуляции при большей температуре окружающего воздуха, что позволяет запускаться процессу естественной циркуляции раньше и заканчиваться позже;
б) охлаждаться корпусу колонки от потока хладагента неравномерно, что позволит создавать более холодные локальные зоны колонки;
в) уменьшить размер насадки, не снижая КПД теплопередачи.
При необходимости возможна дополнительная организация естественной циркуляции от применения по крайней мере одного клапана 12, открывающегося в направлении необходимого движения потока хладагента 5. Так же, как и при остальных этапах, смена насадок 2 на колонке 1 сопровождается вакуумированием ТСГ и последующим заполнением его хладагентом 5.
Особенностью конструкции колонки 1, которая является общей для всех этапов способа, является то, что она имеет внешнее, в верхней надземной части и располагаемое выше уровня снегозанесения, теплорассеивающее оребрение 3, а также внутреннее вертикальное оребрение 4 в верхней и нижней части колонки 1. Внутреннее вертикальное оребрение 4 колонки 1 может выполняться в виде отдельного устройства (фиг. 3), состоящего из двух коаксиально расположенных цилиндров, соединённых пластинами. Материал изготовления с хорошей теплопередачей. Внутренний диаметр внутреннего цилиндра оребрения 4 должен быть больше внешнего диаметра центральной трубы 8 с таким расчетом, чтобы труба 8 располагалась свободно внутри оребрения 4. Контакт оребрения 4 с корпусом колонки 1 должен быть как можно лучше. Для этого оребрение 4 должно входить в корпус колонки 1 максимально плотно, а для улучшения теплопередачи возможно использование термопасты, химически устойчивой к хладагенту 5. Основная задача внутреннего оребрения 4 – усиление теплопередачи между потоком хладагента 5 и корпусом колонки 1 в местах установки оребрения 4, а дополнительная – центрирование трубы 8 внутри колонки 1.
Колонку 1 ТСГ для реализации способа, особенно для этапов активного замораживания, можно установить в любом направлении от вертикального до горизонтального, а нижняя часть колонки может иметь дополнительно наклонную или горизонтальную часть, при этом сама колонка может быть составной частью фундамента или фундаментной опоры, заглубленной в грунт. Дополнительное гравитационное сопротивление движению хладагента 5 компенсируется увеличением мощности нагнетающего устройства 6.
Для случаев применения способа, например замораживание сводов для обеспечения их крепости и водонепроницаемости, колонку 1 располагают выше, чем насадку 2.
Тепловое разделение нисходящих и восходящих потоков обеспечивает низкая теплопроводность стенок центральных труб (8, 10) соответственно колонки 1 и насадки 2, что особенно важно при режиме естественной циркуляции.
За реализацией способа на любом этапе, кроме известных прямых методов контроля работы при использовании нагнетающего устройства, можно судить по косвенным признакам, например, наблюдая за контролем герметичности ТСГ. Для этого обеспечивают выдвижение сигнального подпружиненного элемента 14 из корпуса насадки при давлении хладагента 5 внутри ТСГ выше минимально допустимого за счет действия гибкой мембраны 15, разделяющей объемы ТСГ и атмосферы. При снижении давления хладагента 5 внутри ТСГ ниже минимально допустимого пружина преодолевает выдавливающее действие мембраны 15, и сигнальный элемент 14 утапливается внутрь корпуса насадки 2. При этом выдвигаемую часть сигнального элемента 14 защищают прозрачным колпаком 16 от внешних воздействий (фиг. 5).
Дистанционный контроль температуры хладагента позволяет проводить сопоставление и анализ температур хладагента до и после теплопередачи с замораживаемым грунтом, а при учете температуры окружающего воздуха позволяют определить температуру замораживаемого грунта, работоспособность ТСГ и, как косвенный показатель, – давление хладагента внутри ТСГ. Статистический анализ получаемых данных по температуре позволяет моделировать зоны промерзания грунта и принимать решение о применении соответствующих этапов настоящего способа. При активном замораживании показатель – ток потребления нагнетающего устройства 6 - позволяет контролировать процесс активного замораживания и обеспечивать необходимые действия по сохранению работоспособности нагнетающего устройства, а также его охрану от возможного разграбления. Источником питания для дистанционного контроля при активном замораживании является источник питания устройства нагнетания хладагента, а при пассивном замораживании – стандартный элемент питания гальванического типа, аккумулятор, солнечная батарея и т.д. Передача данных дистанционного контроля осуществляется в режиме реального времени известными способами, например для объектов локального расположения по проводным и беспроводным сетям известных типов.
Работа любого ТСГ зависит от расчетного количества хладагента, участвующего в процессе теплопередачи, особенно если речь идет о таком хладагенте, как гелий. Преимуществом применения гелия как хладагента является повышенная теплопередача и сверхтекучесть, что выгодно отличает его от других газов и позволяет ускорить процесс аккумуляции холода. Также использование гелия позволит обеспечить конкурентные преимущества ТСГ на основе предлагаемого способа перед известными двухфазными и однофазными охлаждающими устройствами, в том числе и за счет стоимости гелия. Поэтому использование ТСГ на основе предлагаемого способа позволит пересмотреть обычно используемое количество известных ТСГ в сторону уменьшения, а универсальность крепления и возможная ремонтопригодность насадок в теплом помещении позволит реализовывать способ с максимальным экономическим эффектом.
Вакуумирование при сезонных сменах насадок 2 позволит использовать гелий или гелийсодержащий газ при повторных перезарядках. Кроме того, гелий нетоксичен, не взрыво- и огнеопасен, не оказывает вредного воздействия на экологию, более подвижен и сопоставим по цене с известными хладагентами, а также позволяет исключить внутренние намерзания, коррозию и отложение солей внутри ТСГ. Недостатком гелия, как и его достоинством, применительно к предлагаемому способу, является его сверхтекучесть, поэтому герметизации разъемного соединения насадки и колонки должно быть уделено особое внимание при разработке устройства реализации предлагаемого способа. Например, для герметизации возможно использование различных известных уплотнителей, в том числе терморасширенного графита, а при переводе на постоянный этап пассивного замораживания стык проклеивается или обваривается. Преимуществом гелия как хладагента является также то, что на любом этапе реализации способа добавление гелия в замкнутый контур циркуляции хладагента легко осуществляется через заправочный штуцер 13 (фиг. 4). Нетоксичность и невзрывопожароопасность гелия позволяют осуществлять эту работу без влияния на работу другого оборудования, например, на опасном производственном объекте.
Монтаж колонки 1 в грунт при строительстве может осуществляться с технологической заглушкой вместо насадки 2, что позволяет избежать затруднений и повреждений при последующих строительных работах.
Предлагаемый способ будет эффективным также для ситуаций, когда растепляющее действие оборудования на установленном фундаменте в процессе эксплуатации незначительно, а гораздо важнее быстрая заморозка после строительства, например для опор линии электропередачи или трубопровода. В этом случае после необходимой заморозки грунта нагнетательная насадка 2 как наиболее дорогостоящий элемент ТСГ может быть демонтирована для повторного использования, а стоимостью колонки 1 и хладагента 5 (гелий – экологически безвреден) можно пренебречь. Это позволит избежать известных ситуаций, когда бесконтрольное использование известных ТСГ приводит к перемораживанию грунтов с последующим вспучиванием и смещением фундаментов. С учетом сложившейся практики предлагаемый способ будет иметь значительную экономическую выгоду, в особенности при использовании известных ТСГ с экологически небезопасными хладагентами.
Несомненным преимуществом способа является то, что переход от активного к пассивному замораживанию не связан с большими финансовыми и временными затратами на перемонтаж насадок 2. Кроме того, эти работы и эксплуатация ТСГ не требуют привлечения специализированных организаций, достаточно собственного обученного персонала. Нагнетательные насадки этапа активного замораживания после перевода ТСГ на пассивное замораживание могут использоваться повторно, что, например, удобно при строительстве линейных объектов.
Таким образом, решается задача настоящего изобретения – создание универсального способа аккумуляции холода в грунте, позволяющего обеспечить быстрое, при необходимости, замораживание грунта в теплое время года, ускорение естественного процесса замораживания грунта и поддержку его замороженного состояния в холодное время года.