УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ ГРУНТОВ

Полезная модель относится к вертикальным двухфазным естественно-конвективным устройствам для термостабилизации грунтов.
Известны конструкции однофазных охлаждающих устройств типа сваи Гапеева [1. Гапеев С.И. Укрепление мерзлых оснований охлаждением. Л., Стройиздат, 1969, 104 с], корпус которых практически полностью заполнен жидким хладагентом (керосином). Такие устройства обладают повышенным внутренним гидравлическим сопротивлением и, в силу этого, пониженным коэффициентом теплопередачи к грунту. Поэтому они не нашли широкого применения в строительстве. В настоящее время для этих целей применяются двухфазные охлаждающие устройства, которые свободны от указанного недостатка (что, помимо прочего, позволяет применять трубки относительно небольшого диаметра).
Известна конструкция двухфазного устройства (именуемого также “термостабилизатор”) для замораживания, охлаждения или термостабилизации грунтов, включающее герметичный трубчатый корпус с оребренной надземной частью [2. Г.М. Долгих и др., Исследование термоколонок с использованием климатических камер и в условиях опытно-промышленного полигона // Материалы международной научно-практической конференции по инженерному мерзлотоведению, Тюмень, 2011, с. 88-94.]. Внутренняя полость устройства заполнена дозированным количеством легкокипящей жидкости (хладагентом).
Такие двухфазные охлаждающие устройства в рабочем состоянии заполнены жидкой фазой хладагента не более чем на 0,1-0,15 от полного объема внутренней полости устройства. Остальная часть его объема занята паровой фазой хладагента. Вязкость пара примерно на три порядка ниже, чем вязкость жидкой фазы, что обеспечивает низкое внутреннее гидравлическое сопротивление устройства и повышенный коэффициент теплопередачи в грунт. В рабочем положении корпус термостабилизатора находится в вертикальном положении, а его нижняя часть (4-8 м) погружается в грунт. Верхняя его часть (до 2 м) выступает над уровнем земли.
Оребрение термостабилизатора обычно изготавливается из цветного металла с применением специальных работ по монтажу на корпусе устройства, что существенно повышает стоимость изготовления последнего. Кроме того, наличие оребрения повышает опасность повреждения устройства при его монтаже, а также при монтаже надфундаментных конструкций.
a
1
2
g
1
2
g
a
Вместе с тем, согласно имеющимся теоретическим представлениям [3. Л.В. Арнольд и др., Техническая термодинамика и теплопередача, М., Высшая школа, 1979, 445 с] при теплообмене между двумя средами (в данном случае - грунтом и атмосферой) оребрение должно устанавливаться со стороны среды с наихудшими теплофизическими характеристиками. Параметрами для сравнения в данном случае выступают коэффициенты теплопередачи в надземной и подземной частях устройства. Рассмотрение процессов конвекции и переноса тепла внутри устройства совместно с внешним процессом теплопередачи от грунта к устройству показывает [4. Я.Б. Горелик Расчет температурного поля грунта вокруг парожидкостной термосваи // Проблемы нефти и газа Тюмени, 1980, вып. 47, с. 58-61], что в данном случае параметрами сравнения могут выступать величины kαl/l (для теплообмена устройства с воздухом) и λ/η(τ) (для теплообмена устройства с грунтом в подземной части), где: η(τ) - радиус теплового влияния термостабилизатора при охлаждении мерзлого грунта за время τ; l, l - длина надземной и подземной частей устройства соответственно; λ - коэффициент теплопроводности мерзлого грунта; α - коэффициент теплопередачи от воздуха к надземной части устройства для гладкой трубы (зависит от скорости ветра, диаметра корпуса устройства и теплофизических характеристик воздуха - определяется по справочным данным); k≥1 - безразмерный коэффициент увеличения теплопередачи за счет оребрения (определяется по справочным данным).
Вычисления показывают, что уже спустя примерно три недели с момента начала охлаждения коэффициент теплопередачи в грунт становится значительно меньше коэффициента теплопередачи от атмосферы к надземной части термостабилизатора и оребрение становится неэффективным в основное время работы устройства (грунт не успевает воспринять и перераспределить то количество холода, которое поступает от атмосферы).
С другой стороны, в настоящее время отсутствуют какие либо данные, показывающие повышение эффективности работы термостабилизатора за счет применения оребрения конденсатора.
Задачей, стоящей перед полезной моделью, является снижение стоимости устройства, снижение затрат по его монтажу и применению, повышение технологичности работ по монтажу при обеспечении достаточной холодопроизводительности.
Для решения поставленной задачи в устройстве для термостабилизации грунтов, содержащем герметичный трубчатый корпус с надземной и подземной частями, внутренняя полость которого заполнена дозированным количеством легкокипящей жидкости, надземная часть корпуса выполнена гладко-стенной, а соотношение длин надземной и подземной частей подбирается из условия достаточности охлаждения основания, а также из конструктивных ограничений на высоту проветриваемого подполья.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано устройство для термостабилизации грунтов, на фиг. 2 - устройство для термостабилизации грунтов, установленное в полости трубчатой сваи, а на фиг. 3 - вид по AA на фиг. 2.
Устройство для термостабилизации грунтов содержит герметичный трубчатый корпус 1 с надземной частью, выступающей над поверхностью грунта 2. Внутренняя полость корпуса заполнена дозированным количеством легкокипящей жидкости. Надземная часть корпуса выполнена гладкостенной (без оребрения).
Устройство для термостабилизации грунтов может быть размещено в полости трубчатой сваи 3, устанавливаемой в основании сооружения, грунт вокруг которой подлежит термостабилизации.
Важное обстоятельство, позволяющее отказаться от оребрения надземной части в целом ряде случаев, состоит в том, что при охлаждении грунтов оснований сооружений, протяженных в плане, двухфазными охлаждающими устройствами нет смысла стремиться к максимальной производительности отдельного устройства. Необходимо обеспечить лишь его достаточную производительность [5. Я.Б. Горелик Свайный фундамент для капитальных сооружений северных месторождений // Газовая промышленность, 2005, №1, с. 82-84].
0
0
Пусть начальная температура грунта в основании протяженного в плане сооружения равна t (на глубине нулевых амплитуд). В работе [6. Я.Б. Горелик, И.Г. Измайлов Предпостроечное охлаждение грунтов с применением термосвай // Проблемы нефти и газа в Тюмени, 1984, вып. 61, с. 85-88] показано, что при охлаждении основания с помощью системы термостабилизаторов в течение одного зимнего периода в конце первого года работы устройств устанавливается новая температура (а в дальнейшем - не выше этого значения)<(, которая вычисляется с помощью следующих выражений:
1
2
a
f
f
a
w
w
L, B - длина и ширина сооружения в плане; l, l, R - длина надземной и подземной части термостабилизатора и радиус трубы его корпуса; b - шаг размещения термостабилизаторов на свайном поле; t - среднезимняя температура воздуха в районе строительства; λ, κ - коэффициенты теплопроводности и температуропроводности мерзлого грунта; α - коэффициент теплопередачи от наружного воздуха к конденсаторной части устройства; τ - продолжительность зимнего периода; η - значение радиуса влияния отдельного термостабилизатора в конце зимнего периода. В выражении (3) erf - функция ошибок; e - основание натуральных логарифмов.
p
1
p
Пусть t - проектное значение температуры в основании сооружения (обеспечивающее необходимую несущую способность свай фундамента). Требование t≤t (расчетная температура должна быть не выше проектной) с учетом выражений (1) и (2) приводит к условию на отношение длин надземной и подземной частей отдельного устройства в следующем виде:
Обозначая правую часть неравенства (6) через G, получаем условие на длину надземной части (при заданном значении длины подземной):
2
a
0
p
f
a
f
w
1
2
2
Рассмотрим пример вычислений при характерных значениях климатических параметров, свойств грунта и конструктивных параметров: L=B=12 м; b=3,0 м; l=6 м; R=0,02 м; t=-18°C; t=-0,5°C; t=-1°C; λ=2 Вт/м град; α=27 Вт/м град; κ=0,00069 м/час; τ=4320 час (0,5 года). Вычисления дают: G=0,177; L>1,07 м.
1
Помимо теплотехнического условия (7) длина надземной части устройства должна подчиняться конструктивному требованию l<Н, где H - высота проветриваемого подполья (обычно H≤2,0 м). Таким образом, в общем случае высота надземной части устройства должна удовлетворять двум неравенствам:
1
1
В приведенном выше примере расчета нетрудно подобрать длину надземной части, удовлетворяющую обеим условиям (отметим, что с увеличением l холодопроизводительность отдельного устройства растет). Если же для удовлетворения теплотехнического условия (7) требуется слишком большая длина l (более 2,0 м), то необходимо изменить исходные конструктивные параметры (например, уменьшить шаг b). Окончательный конструктивный вариант определяется экономическими и технологическими параметрами, а также параметрами надежности фундамента.
Отсутствие оребрения позволяет разместить корпус устройства целиком в полости трубчатой сваи 3 до заполнения этой полости пескобетоном 4, что исключает дополнительные затраты на изготовление и монтаж оребрения, бурение дополнительных скважин для размещения устройства в грунт и устраняет нежелательные помехи при монтаже надфундаментных конструкций. Кроме того, корпус 1 устройства для термостабилизации грунтов в период эксплуатации защищен от случайных механических воздействий, а вблизи фундамента освобождаются проходы и повышается его эстетический вид. В запас идет повышение холодопроизводительности за счет контакта металлического корпуса сваи с конденсаторной частью устройства (в надземной части), который выполняет дополнительную роль оребрения.