ТРЁХКОНТУРНАЯ СИСТЕМА ВСЕСЕЗОННОЙ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЙ
THREE-CIRCUIT SYSTEM OF ALL-SEASON THERMAL STABILIZATION OF PERMAFROST SOILS OF BASES

Изобретение относится к области строительства зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах, в частности, предназначено для промораживания и всесезонной термостабилизации грунтов оснований зданий и сооружений.
Известны системы и способы сбора и обработки газов многолетней мерзлоты, а также охлаждения многолетнемерзлых грунтов (далее по тексту – ММГ), в которых получают газ из жертвенной области оттаивающей мерзлоты. Диссоциацию газа в негорючем химическом процессе и циркуляцию составляющей газа осуществляют через сохраняемую область оттаивающей области ММГ для охлаждения сохраняемой области (Патент № US 8888408 B2. Опубл.  2014-11-18).
Однако минусом описанного технического решения является невозможность обеспечения взрыво- и пожаробезопасности посредством размещения используемого электротехнического оборудования вне опасных производственных объектов и зон, а также отсутствие автоматизации процесса управления функционированием системы. Кроме того, описанное решение, в отличие от представляемого изобретения, не может использоваться для экстренного промораживания грунтов на опасных участках критического растепления.
Известна система термостабилизации грунта  оснований на вечномерзлых грунтах, включающая контур из охлаждающих труб с заглушенным торцом с одной стороны и открытым торцом с другой, полость которых заполнена незамерзающей жидкостью. Данная система также включает размещенные над контуром труб слои теплоизоляции и отсыпку грунта. Охлаждающие трубы расположены под отсыпкой грунта и слоем теплоизоляции с уклоном к продольной оси основания в сторону заглушенных торцов. Открытые торцы труб выведены за границы контура, в пределах которого охлаждающие трубы оснащены установленными в их внутренних полостях охлаждающими элементами. По периметру контура дополнительно установлены вертикальные гильзы, полость которых заполнена незамерзающей жидкостью. Внутри гильз установлены охлаждающие элементы, причем верхняя часть каждой гильзы и охлаждающей трубы снабжена крышкой с отверстием для размещения охлаждающего элемента и заливной горловиной с пробкой (Патент № RU 116871. Опубл. 10.06.2012 г.).
Однако, несмотря на то, что вышеописанная известная система позволяет обеспечить термостабилизацию грунтов оснований, недостатком подобной системы является снижение экономической эффективности, которое происходит за счет отсутствия опции термостабилизации в режиме сезонно-действующих охлаждающих устройств (далее по тексту – СОУ) за счет достаточно низких температур окружающего воздуха в холодные сезоны. Термостабилизация осуществляется здесь исключительно в энергозатратном режиме принудительного охлаждения. Также отсутствует возможность автоматизации процесса управления функционированием системы. Кроме того, описанная система предназначена исключительно для постоянной стационарной эксплуатации и не может при необходимости использоваться мобильно для экстренного временного промораживания грунтов на опасных участках критического растепления. Дополнительно, в описанном техническом решении отсутствует возможность обеспечения взрыво- и пожаробезопасности посредством размещения используемого электротехнического оборудования вне опасных производственных объектов и зон.
Известна система температурной стабилизации грунтов оснований зданий и сооружений, включающая сезонно-действующие охлаждающие устройства. Каждое из данных устройств содержит зону испарения, по краям которой расположены транспортная зона и зона конденсации, и выполнено в виде корпуса трубчатого сечения с возможностью заправки теплоносителем. При этом зоны конденсации установлены над поверхностью грунта под углом 90° к горизонту и оснащены теплообменниками, а зоны испарения размещены в основании сооружения параллельно друг другу с уклоном от 10° до 0° к продольной оси сооружения. Зоны испарения размещены в сквозных скважинах, пробуренных по всей площади сооружения, выведены за пределы контура сооружения с двух противоположных сторон в траншеи, ориентированные вдоль продольной оси сооружения, и соединены с транспортными зонами, уложенными в траншеи. Свободные края транспортных зон соединены с зонами конденсации, собранными в куст с каждой из упомянутых сторон, закрепленный на поддерживающей конструкции, оборудованной площадкой для заправки и обслуживания охлаждающих устройств. Дополнительно на поверхности грунта основания, под всем сооружением, непосредственно под полами первого этажа уложен теплозащитный экран (Патент № RU 141110. Опубл. 27.05.2014 г.).
Однако в описанной известной системе отсутствует возможность обеспечения взрыво- и пожаробезопасности на объекте посредством размещения используемого системой электротехнического оборудования на удалении от опасных производственных объектов и зон, а также возможность автоматизации процесса управления функционированием системы. Также описанная стационарная система не может при необходимости использоваться мобильно для экстренного промораживания грунтов на опасных участках критического растепления.
Известен способ термостабилизации грунтов оснований свайных опор трубопроводов и трубопроводов подземной прокладки, при котором выполняют выемку льдистых грунтов с замещающей выемку укладкой композитного материала. По краям выемки производят установку по меньшей мере двух термостабилизаторов грунта. При этом композитный материал имеет состав при определенном соотношении компонентов, причем для пропитки полимера выбирают жидкий теплоноситель с высокой теплоемкостью и низкой температурой замерзания (Патент № RU 2616029. Опубл. 14.04.2017 г.).
Однако, несмотря на то, что описанное известное техническое решение предназначено для повышения надежности оснований и безопасной эксплуатации магистральных трубопроводов в районах распространения ММГ, оно является экономически неэффективным за счет значительного объема земляных работ и работ по укладке замещающих выемки грунта композитных материалов при одновременном дублировании термостабилизаторами. Кроме того, данное техническое решение допускает нарушение почвенно-растительного слоя, что приводит к активизации эрозионных процессов и нарушению естественного температурного режима грунтов оснований. Предлагаемое изобретение не предусматривает проведения земляных работ, а также, за счет автоматизации управления, предпочтительнее для использования на таких удаленных линейных объектах, как трубопроводы и железные дороги.
Известна насыпь железной дороги на вечномерзлых грунтах, в которой использована охлаждающая система, размещаемая в теле железнодорожных насыпей на ММГ. Охлаждающая система в основании насыпи состоит из двух независимых частей - основной и вспомогательной. Основная часть - объемная жесткая, выполнена из отработанных цистерн, установленных на мерзлом основании вдоль оси насыпи и соединенных трубопроводами. Вспомогательная часть выполнена в виде плоского упруго-эластичного ковра, внутри которого закреплены термоэлектрические модули Пельтье, и уложенного в верхнем слое насыпи в основании балластной призмы (Патент № RU 2657310. Опубл. 13.06.2018 г.).
Однако, описанное известное техническое решение имеет крайне низкий коэффициент полезного действия (далее по тексту – КПД) и вызывает сложности при применении данной технологии в зонах повышенной взрыво- и пожароопасности (например, на предприятиях нефтегазовой отрасли). В описанной известной системе отсутствует возможность обеспечения взрыво- и пожаробезопасности на объекте посредством размещения используемого системой электротехнического оборудования на удалении от опасных производственных объектов и зон, а также возможность автоматизации процесса управления функционированием системы. Также описанная стационарная система не может при необходимости использоваться мобильно для экстренного промораживания грунтов на опасных участках критического растепления. Еще одним недостатком подобной системы является снижение экономической эффективности, которое происходит за счет отсутствия опции термостабилизации в режиме СОУ за счет достаточно низких температур окружающего воздуха в холодные сезоны. Термостабилизация осуществляется здесь исключительно в энергозатратном режиме принудительного охлаждения. Кроме того, отсутствует возможность автоматизации процесса управления функционированием системы.
При термостабилизации охлаждение происходит при поглощении тепла из окружающего испарительную часть термостабилизатора грунта. Для поддержания непрерывной циклической работы термостабилизатора  также отводят тепло от конденсаторной части термостабилизатора. В существующих на текущий момент системах термостабилизации эту функцию обеспечивает наземная часть термостабилизатора посредством контакта с атмосферным воздухом достаточно низкой температуры. При разнице температур грунта  и окружающего конденсаторную часть воздуха порядка 12° по Цельсию отвод тепла от наземной части термостабилизатора может происходить в режиме СОУ (естественный режим циркулирования хладагента, не требующий искусственных источников энергии). Также в настоящее время существуют двухконтурные системы термостабилизации грунтов оснований, в которых охлаждение «конденсаторной» части происходит за счёт работы специализированной холодильной установки, расположенной в непосредственном контакте с термостабилизатором.
Исследованный уровень техники не позволил выявить наиболее близкого аналога к заявляемому техническому решению с получением аналогичного технического результата.
Задачей настоящего изобретения является возможность всесезонного промораживания и поддержания температур грунтов оснований в пределах требуемых проектных значений.
Технический результат изобретения проявляется в следующем:
- крайне высокие показатели КПД за счет обеспечения значительных теплопередающих характеристик системы (коэффициент теплопроводности конденсаторной части термостабилизатора в системе, тепловой поток от грунта к конденсаторной части, линейное термическое сопротивление термостабилизатора в системе);
- возможность размещения используемого системой электротехнического оборудования на удалении от взрыво- и пожароопасных территорий;
- возможность автоматизации процесса управления функционированием системы при переходе из режима СОУ в режим принудительного охлаждения грунтов и обратно в соответствии с текущими природно-климатическими условиями и данными термометрии грунтов оснований;
- возможность в кратчайшие сроки промораживать значительные массивы грунта до достижения требуемых проектных температур с дальнейшим функционированием в экономичном режиме поддержания необходимого температурного режима;
- возможность мобильного использования системы для экстренного промораживания грунтов на опасных участках критического растепления, определенных по результатам геотехнического мониторинга.
Поставленный технический результат достигается тем, что трёхконтурная система всесезонной термостабилизации  многолетнемерзлых грунтов оснований, состоит из трех опосредованно взаимосвязанных совместно работающих контуров охлаждения грунта, при этом первый контур представлен холодильной машиной, предназначенной для охлаждения хладоносителя,  второй контур представлен гидромодулем, обеспечивающим циркуляцию хладоносителя, третий контур представлен термостабилизатором, оснащенным теплообменником, все три контура охлаждения соединены с помощью трубопроводов и оснащены элементами автоматизации управления.
В варианте выполнения, для повышения коэффициента полезного действия, в трехконтурной системе холодильная машина может быть выполнена в виде замкнутого блока, в котором последовательно соединены компрессор, конденсатор, терморегулирующий вентиль и испаритель, при этом гидромодуль включает насосы для перекачивания хладоносителя, соединенные опосредовано и соответственно с испарителем холодильной машины и теплообменником термостабилизатора, кроме того первый и второй контуры оснащены элементами автоматизации управления, выполненными в виде контроллеров и датчиков.
Настоящее изобретение описано подробным пояснением и схемами, на которых:
Фиг. 1 показывает блок-схему трехконтурной системы всесезонной термостабилизации ММГ оснований;
Фиг. 2 характеризует технические элементы блоков каждого из трех контуров системы;
Фиг. 3 поясняет структурную схему элементов автоматизации трехконтурной системы.
Термины:
КПД – коэффициент полезного действия;
ММГ – многолетнемерзлый грунт;
СОУ – сезонно-действующее охлаждающее устройство;
ТСВТ – трёхконтурная система всесезонной термостабилизации многолетнемерзлых грунтов оснований.
Трёхконтурная система всесезонной термостабилизации многолетнемерзлых грунтов оснований содержит опосредованно соединенные три совместно работающих контура 1, 2, 3 охлаждения грунтов (Фиг.1). Первый контур 1 выполнен в виде предназначенной для охлаждения хладоносителя холодильной машины. Второй промежуточный контур 2 выполнен в виде гидромодуля. Третий контур 3 выполнен из оснащенного теплообменником термостабилизатора, установленного в грунт основания. Каждый контур соединен с помощью трубопроводов и оснащен элементами автоматизации управления, включающими главный контроллер 4.
Для повышения КПД холодильная машина первого контура 1 имеет замкнутый контур (Фиг. 2). Замкнутый контур образован из, соединенных между собой прямой связью, компрессора 5, конденсатора 6, терморегулирующего вентиля 7, испарителя 8.
Первый контур 1 связан со вторым промежуточным контуром 2 посредством испарителя 8, который  соединен с насосами 9 и 10  гидромодуля.
Насосы  9, 10  опосредованно соединены с третьим контуром  3,   выполненным из термостабилизатора 11. На термостабилизаторе 11 установлен теплообменник 12. Термостабилизатор 11 нижним концом установлен  в многолетнемерзлый  грунт 13. При этом  теплообменник 12 расположен над многолетнемерзлым грунтом 13 основания.
Главный контроллер 4 взаимосвязан с контроллерами и датчиками каждого из контуров 1, 2, 3.
Холодильная машина первого контура 1 оснащена элементом автоматизации в виде контроллера 14 соединенного с датчиками 15 температуры хладагента  и датчиками 16 давления хладагента (Фиг. 3).
Гидромодуль второго контура 2 оснащен элементом автоматизации в виде контроллера 17, соединенного с датчиками 18 протока хладоносителя, датчиками 19 уровня  хладоносителя, датчика 20 температуры хладоносителя, датчиков 21 давления хладоносителя.
Элементы третьего контура 3, а именно термостабилизатор 11 и теплообменник 12, установленные в многолетнемерзлый грунт 13 основания, оснащены элементами автоматизации в виде  контроллера 22 подачи хладоносителя, соединенного с датчиками 23 температуры хладоносителя. Кроме того, контроллер 24 показаний термокос соединен с датчиками 25 температуры грунта.
Принцип работы ТСВТ следующий.
ТСВТ представляет собой три совместно работающих контура 1, 2, 3 охлаждения, итогом работы которых является охлаждение грунтов оснований до требуемых проектных значений (Фиг. 1, 2, 3).
Первым 1 контуром ТСВТ выступает предназначенная для охлаждения жидкости холодильная машина. В качестве хладагента холодильной машины контура 1 использовали аммиак, фреон (хладон), элегаз. Термостабилизатор 11 одним из его концов установили в многолетнемерзлом грунте 13 основания (далее по тексту - грунт). Теплообменник 12 при этом расположился над грунтом 13.  Хладоноситель - тосол, неорганические соединения (рассол), органические соединения (растворы гликолей),  от гидромодуля с помощью насоса 10 поступил в теплообменник 12 охлажденным  для дальнейшего теплообмена с хладагентом термостабилизатора 11, непосредственно охлаждающего грунт 13 основания. Затем поступил к испарителю 7, контактирующему с хладагентом холодильной машины контура 1. После того как хладоноситель достигнул требуемой температуры, с помощью насоса 9 он переместился в обратном порядке к теплообменнику 12 термостабилизатора 11. Контроль температурного режима для круглогодичного поддержания требуемой температуры ММГ осуществляли  контроллер 14,  датчики 15 температуры хладагента  и датчики 16 давления хладагента.
Настоящее изобретение может использоваться как стационарно (постоянная эксплуатация), так и мобильно, позволяя в кратчайшие сроки установить требуемые проектом значения температур в основаниях зданий и сооружений, а также осуществлять эффективное экстренное промораживание грунтов оснований зданий и сооружений до достижения проектных температур на выявленных посредством геотехнического мониторинга участках критического растепления.
Предложенное изобретение позволяет осуществлять круглогодичную термостабилизацию (без летних и весенне-осенних пауз в работе СОУ) грунтов оснований зданий и сооружений в рамках требуемых проектных температурных значений в течение всего срока эксплуатации строительного объекта.
Представленная система ТСВТ может быть смонтирована, в том числе на ранее установленные и ранее эксплуатируемые на объекте термостабилизаторы от любых производителей и с любыми конфигурациями (геометрические параметры, тип хладагента и пр.).
Помимо этого, предложенное техническое решение позволяет размещать все используемое системой электротехническое оборудование (холодильная машина, гидромодуль, элементы автоматизации и пр.) на значительных удалениях от опасных производственных объектов и зон в целях обеспечения взрыво- и пожаробезопасности.
Предложенное техническое решение позволяет осуществлять процесс круглогодичного охлаждения и термостабилизации грунтов оснований зданий и сооружений в автоматическом режиме. Чередование естественного охлаждения с использованием сезонно-действующих термостабилизаторов и принудительного охлаждения происходит посредством автоматизированного управления датчиками и контроллерами. Использование подобного принципа работы позволяет добиться значительного повышения эффективности и безопасности эксплуатации, а также снизить численность рабочего персонала.