УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ГРУНТА

МПК E02D3/115
Устройство для замораживания грунта
Полезная модель относится к области строительной техники и может быть использована при строительстве сооружений в районах вечной мерзлоты для поддержания мерзлого состояния грунта в летний период времени.
Известно охлаждаемое основание сооружений, содержащее отсыпку грунта с расположенными на нем слоем теплоизоляции и размещенными внутри него герметичными охлаждающими трубами с зонами конденсации и испарения [1]. Трубы состоят из двух участков: первый расположен вертикально или отклонен от вертикали не более чем на 30°, а второй - расположен наклонно к горизонту под углом не более 10°, при этом на первом участке каждой трубы на внутренней ее стенке ниже уровня грунта выполнены карманы для задерживания стекающего конденсата. При понижении температуры окружающего воздуха ниже температуры грунта происходит циркуляция теплоносителя (низкокипящей жидкости) в трубах, сопровождающаяся отбором тепла от грунта, соприкасающегося с охлаждающими трубами, что обеспечивает равномерное охлаждение грунта вдоль охлаждающих труб.
Недостаток известного технического решения состоит в том, что доставка готовых охлаждающих труб, имеющих габаритные размеры более 12 м, для крупногабаритных строительных объектов требует больших транспортных расходов, а изготовление и монтаж охлаждающих труб на строительной площадке требует сложного оборудования и высокой квалификации работников.
Наиболее близким известным техническим решением в качестве прототипа является конструкция насыпного охлаждаемого основания сооружений, содержащая горизонтально расположенные параллельно друг другу охлаждающие трубы, частично заполненные теплоносителем (низкокипящей жидкостью), теплоизоляционную отсыпку над охлаждающими трубами и конденсаторные теплообменники [2]. Охлаждающие трубы выполнены в виде трех секционных змеевиков. Начало и конец каждого змеевика завершается теплообменным конденсатором.
Недостаток прототипа состоит в том, что изготовление, монтаж и заправка теплоносителем змеевиков из прямолинейных охлаждающих труб, доставленных в контейнерах непосредственно на строительный объект в районе вечной мерзлоты, требуют сложного технологического и монтажного оборудования и высокой квалификации работников. Доставка же полностью изготовленных в заводских условиях охлаждающих змеевиков на строительные объекты в упомянутые районы вечной мерзлоты требует больших транспортных расходов и ограничивает географию места строительства допустимым фарватером для крупнотоннажных судоходных средств. Кроме того, каждый из трех конденсаторных теплообменников дистанционно удален от последовательной цепи змеевика охлаждающих труб, что приводит к тепловым потерям и ограничивает надежность работы охлаждающей конструкции, так разгерметизация одной секции снижает эффективность работы устройства сразу на треть.
Целью полезной модели является снижение затрат на монтажные работы, расширение географии мест расположения строительных объектов и повышение надежности устройства для замораживания грунта путем контейнерной транспортировки заправленных теплоносителем охлаждающих труб на строительный объект и обеспечения режима параллельного функционирования охлаждающих труб с индивидуальными теплообменными конденсаторами.
м
м
2
Сущность полезной модели состоит в том, что, кроме известных и общих отличительных признаков, а именно: горизонтально расположенных параллельно друг другу охлаждающих труб, заправленных низкокипящей жидкостью, теплоизоляционной отсыпки над охлаждающими трубами и конденсаторных теплообменников, в предлагаемом устройстве для замораживания грунта концы охлаждающих труб загнуты вверх под 90° и выступают над теплоизоляционной отсыпкой на высоту 1-2  с индивидуальным конденсаторным теплообменником на конце каждой охлаждающей трубы, длины охлаждающих труб соответствуют длине транспортного контейнера, увеличены длины охлаждающих труб путем соединения их концов с горизонтальными тепловыми трубами на теплопроводной пасте внутри стыковочных кожухов, если конфигурация охлаждаемого фундамента сооружения превышает длину транспортного контейнера, расстояние между охлаждающими трубами не превышает 1,01,2  при обеспечении эффективного коэффициента теплопередачи от грунта в атмосферу не менее 15 Вт/м·К, профиль поперечного сечения охлаждающих труб и тепловых труб в местах их соединения соответствует прямоугольнику, наибольшая сторона которого имеет вертикальное направление при монтаже конструкции, и выступающие концы охлаждающих труб снаружи механически связаны эстакадой крепления.
м
м
2
Новизна полезной модели заключается в том, что концы охлаждающих труб загнуты вверх под 90° и выступают над теплоизоляционной отсыпкой на высоту 1-2  с индивидуальным конденсаторным теплообменником на конце каждой охлаждающей трубы, длины охлаждающих труб соответствуют длине транспортного контейнера, увеличены длины охлаждающих труб путем соединения их концов с горизонтальными тепловыми трубами на теплопроводной пасте внутри стыковочных кожухов, если конфигурация охлаждаемого фундамента сооружения превышает длину транспортного контейнера, расстояние между охлаждающими трубами не превышает 1,01,2  при обеспечении эффективного коэффициента теплопередачи от грунта в атмосферу не менее 15 Вт/м·К, профиль поперечного сечения охлаждающих труб и тепловых труб в местах их соединения соответствует прямоугольнику, наибольшая сторона которого имеет вертикальное направление при монтаже конструкции, и выступающие концы охлаждающих труб снаружи механически связаны эстакадой крепления, что обеспечивает снижение затрат на монтажные работы, расширение географии мест расположения строительных объектов и повышение надежности устройства для замораживания грунта путем контейнерной транспортировки заправленных низкокипящей жидкостью охлаждающих труб в полной заводской готовности на строительный объект и обеспечения режима параллельного функционирования охлаждающих труб с индивидуальными теплообменными конденсаторами.
Конструктивная схема предлагаемого устройства иллюстрирована чертежами, на которых показаны:
- на фиг. 1 - схема температурной стабилизации сооружения с использованием охлаждающих труб;
- на фиг. 2 - общий вид охлаждающей трубы с присоединенной тепловой трубой;
- на фиг. 3 - сечение по АА на фиг. 2;
- на фиг. 4 - сечение по ББ на фиг. 2.
На фигурах 1-4 показаны: схематичный контур сооружения 1 (цилиндрический резервуар), грунт под основанием которого подлежит сезонному замораживанию; эстакада крепления 2; охлаждающие трубы 3 отдельно и в сборе с горизонтально расположенными тепловыми трубами 4, профиль поперечного сечения которых в местах соединения представляет собой прямоугольник высотой (наибольшей стороной), направленной вертикально при монтаже; тепловые трубы 4, позволяющие при необходимости удлинять зону испарения охлаждающих труб 3; конденсаторы 5; стыковочный кожух 6, внутри которого охлаждающие трубы 3 соединяются с тепловыми трубами 4 на теплопроводной пасте 7.
В исходном положении основание сооружения 1 располагается на теплоизоляционной отсыпке, которая на фиг. 1 не показана. Эстакада крепления 2 охватывает выступающие концы охлаждающих труб 3, которые совместно с эстакадой 2 выполняют ограждающую функцию. Внутри стыковочного кожуха 6 концы охлаждающих труб 3 и тепловых труб 4 соединены на теплопроводной пасте 7.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
м
На строительной площадке размещают охлаждающие трубы 3 в горизонтальной (или слабонаклонной до 2° к горизонту) плоскости параллельно друг другу. Длина каждой охлаждающей трубы не превышает 12  по условиям контейнерной перевозки. Стыковка охлаждающих труб 3 с тепловыми трубами 4 для необходимого увеличения их длины согласно размерам охлаждаемого основания сооружения 1 осуществляется путем соединения одного конца с другим с помощью теплопроводной пасты 7 и размещением их внутри стыковочного кожуха 6. Изгиб под 90° концов охлаждающих труб 3 выполняют на месте их монтажа (на строительной площадке) без применения сложного технологического и монтажного оборудования, что снижает затраты на монтажные работы и расширяет географию мест расположения строительных объектов 1. Конденсаторы 5 заводской сборки, в отличие от прототипа, имеют малые габаритные размеры и устанавливаются на вертикально выступающие концы охлаждающих труб 3 непосредственно в процессе заводского изготовления. Теплоизолирующей отсыпкой, которая на фиг. 1 не показана, закрывают горизонтально (или слабонаклонно) расположенные охлаждающие трубы 3.
Выступающие концы охлаждающих труб 3 механически связывают между собой эстакадой крепления 2, что обеспечивает жесткость конструкции устройства для замораживания грунта. Параллельное расположение охлаждающих труб 3 с индивидуальным конденсатором 5 для каждой охлаждающей трубы обеспечивает параллельное их функционирование и, следовательно, многократное резервирование, что повышает не менее чем на 30-50% надежность работы предлагаемого устройства для замораживания грунта в сравнении с прототипом, где только один из трех параллельно работающих змеевиков резервный.
Промышленная осуществимость полезной модели обосновывается тем, что в ней использованы известные в аналоге и прототипе узлы и элементы по своему прямому функциональному назначению. В организации-заявителе изготовлен действующий образец устройства в 2011 году.
Положительный эффект от использования полезной модели состоит в том, что повышается не менее чем на 30-50% надежность работы устройства для замораживания грунта путем обеспечения режима параллельного функционирования охлаждающих труб 3 с индивидуальными теплообменными конденсаторами 5. Кроме того, в предлагаемом устройстве обеспечивается снижение затрат на монтажные работы и расширение географии мест расположения строительных объектов за счет контейнерной транспортировки заправленных низкокипящей жидкостью охлаждающих труб 3 и тепловых труб 4 на строительный объект.
Источники информации:
1. Патент 33955 RU на полезную модель «Охлаждаемое основание сооружений», МПК E02D3/115, приоритет: 21.07.2003, авторы и патентообладатели: Абросимов А.И., Гвоздик В.И. и Минкин М.А., (аналог).
2. Попов А.П., Самсонова В.В., «Инновационные аспекты использования естественных криогенных ресурсов для обеспечения механической безопасности зданий и сооружений в криолитозоне» - Геотехника, № 05, 2011, стр. 5-21 (прототип).