КОНДЕНСАТОР ОХЛАЖДАЮЩЕГО ТЕРМОСИФОНА ДЛЯ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ ГРУНТОВ В КРИОЛИТОЗОНЕ
CONDENSER OF COOLING THERMOSIPHON FOR THERMAL STABILIZATION OF SOILS IN CRYOLITE ZONE

Изобретение относится к устройствам для теплообмена, в частности к двухфазным термосифонам, в области строительства в условиях криолитозоны для температурной стабилизации грунтовых оснований сооружений нефтегазового комплекса. Температурная стабилизация грунтов в мерзлом состоянии при заданной проектной температуре обеспечивает надежное сохранение расчетных отрицательных температур под фундаментами сооружений во избежание повреждений и разрушений сооружений.
Для сохранения расчетной температуры мерзлых оснований под сооружениями применяют термосифоны-термостабилизаторы с использованием зимой ресурса холодного воздуха.
Известны устройства [1,2,3,4,5,6,8] для замораживания грунтов в криолитозоне с зонами конденсации, выполненными с поперечным оребрением труб расположенных вертикально в одной плоскости [3,4,5] или замкнутом объеме [6,7].
Недостатками этих устройств является недостаточно активная поверхность конденсатора для его теплообмена с наружным воздухом. Для увеличения мощности термосифона удлиняют оребренные трубы, либо наращивают их количество. Однако, вертикальное расположение оребренных труб тормозит естественное движение межреберного нагретого воздуха в процессе работы термосифона. Удлинение трубок ведет к увеличению толщины пленки по мере ее стекания к низу конденсационной зоны, что влечет за собой существенное снижение коэффициента теплоотдачи.
Наиболее близкое устройство к предлагаемому является устройство [7] для глубинной температурной стабилизации грунтов оснований зданий и сооружений, в котором конденсатор содержит различное количество полых вертикально расположенных отводящих труб, выполненных с поперечным оребрением, в зависимости от длины испарительной зоны, то есть от мощности термосифона.
Недостатком устройства является вертикальное расположение труб большой длины с поперечным оребрением, что снижает коэффициент теплоотдачи.
Изобретение направлено на создание конденсатора охлаждающего термосифона для термостабилизации грунтов в криолитозоне с целью увеличения его мощности и снижения удельной металлоемкости изделия, тем самым, обеспечивая высокую энергоэффективность процесса конденсации и, в целом, экономичность процесса активной термостабилизации грунтов.
Технический результат достигается тем, что оребренные трубы в конденсаторе расположены горизонтально на гранях параллелепипеда, соединенных двумя рамами из гладких труб.
Ниже изобретение поясняется более детально на примере и на основе чертежей. На чертежах:
на фиг. 1 представлен общий вид конденсатора в составе термосифона соединенного схематично с испарителем;
на фиг. 2 изображено условное заполнение оребренными трубами граней конденсатора.
На фиг. 1 показан сплошными линиями корпус конденсатора с гладкими трубами в виде рам 1, 2 соединенных с оребренными горизонтальными трубами 3. Питающей 4 и сливной 5 трубами конденсатор соединен с испарителем 6. На выходе из испарителя установлен буфер-сепаратор 7. Конденсатор установлен на опорах-лапах 8.
Осуществление изобретения
2
В данном примере все элементы конденсатора выполнены из стальных труб круглого с сечения, марка стали 09Г2С. Передняя 1 и задняя 2 рамы выполнены из трубы диаметром 159×6 мм, которые соединяются сваркой с горизонтально расположенными оребренными трубами диаметром 33,7×3,5 мм, в количестве 54 шт., то есть по 9 шт. на каждой грани. На фиг. 2 условно показано заполнение горизонтальными трубами граней параллелепипеда. Оребренные трубы выполнены со спиралевидно навитой под напряжением алюминиевой лентой со следующими техническими характеристиками: диаметр оребрения 67 мм, длина - 1180 мм, средняя толщина ребра - 0,5 мм, шаг ребра - 2,5 мм, площадь поверхности оребрения- 2,44 м [7,8]. Для конденсации хладагента наружную поверхность воздушного конденсатора необходимо максимально развивать, в данном случае коэффициент оребрения доведен до 20. При таких исходных данных первоначальная форма конденсатора в виде параллелепипеда принимает почти форму равностороннего куба с экстремально низкими капитальными и эксплуатационными затратами на его изготовление и последующую эксплуатацию термосифона.
Заявленный конденсатор работает следующим образом. С наступлением холодов в криолитозоне и при снижении температуры воздуха ниже 0°С в термосифоне наблюдаются процессы испарения и конденсации аммиака (или иного хладагента), соответственно в испарителе и конденсаторе, который охлаждается атмосферным воздухом. Образующийся в испарителе парожидкостной поток поступает в буфер-сепаратор 7, где происходит его разделение на жидкую и паровую фазы. Пар по сливной трубе 5 поступает в раму 2 конденсатора, где конденсируется в горизонтально расположенных трубах 3. Теплота конденсации отводится холодным воздухом ветра, который обдувает конденсатор. Вертикальное расположение ребер на горизонтальной трубе обуславливает интенсивное движение воздуха в межреберном пространстве при разной скорости ветра в отличие от вертикального расположения оребренной трубы, когда ребра располагаются горизонтально. В этом положении горизонтальное расположение ребер препятствует естественному движению воздуха в межреберном пространстве, особенно при низкой скорости ветра характерной для некоторых объектов разработки месторождений в криолитозоне. Этот фактор влияет на коэффициент теплоотдачи, существенно снижая его. Горизонтальное расположение трубы практически предотвращает рост толщины пленки, конденсирующийся хладагент стекает в нижнюю часть трубы и ручейком стекает в рамы-коллекторы 1, 2, откуда по питающей трубе 4 сливается в испаритель 6. При этом толщина пленки на внутренней поверхности оребренной трубы поддерживается практически постоянной при неизменной мощности термосифона, что обуславливает, по сравнению с вертикально расположенной трубой, более высокий коэффициент теплоотдачи. Иная картина наблюдается при вертикальном положении трубы. В зависимости от длины оребренной трубы и по мере стекания пленки к нижней ее части толщина пленки возрастает и соответственно снижается коэффициент теплоотдачи от пара хладагента к стенке трубы. В испарителе 6 жидкий хладагент испаряется за счет тепла грунта. Теплота от испарителя к конденсатору переносится движущимся паром, поток которого разветвляется в конденсаторе по полым пароотводящим трубам 3. Конденсатор устанавливается на опоры-лапы 8. По такому циклу работает термосифон.
Таким образом, преобразование тепловой энергии по приведенному циклу движения хладагента обладает значительно большей энергоэффективностью по сравнению с вертикальным расположением оребренных труб в конденсаторе. В предлагаемом конденсаторе расположение оребренных труб на гранях параллелепипеда, фактически в более расширенном пространстве по сравнению с устройствами [3,4,5,6,7,8], повышает активность поверхности оребрения конденсатора для его теплообмена с наружным воздухом, поскольку теплообменная поверхность распределена в значительно большем объеме атмосферы и не экранируется соседними оребренными трубами, что обеспечивает более интенсивный ее обдув ветром.
В табл. 1 показаны преимущества предлагаемого конденсатора при превышающей его мощности.
При внедрении устройства в производство удельный расход металла на изготовление конденсатора уменьшится.
Описание изобретения было приведено только с одним примером, но этот пример служит только в качестве иллюстрации, не ограничивая рамок изобретения. Чертежи, в частности, выполнены схематично и не предназначены для показа предпочтительных форм и соотношений размеров различных компонентов. Многие варианты и ограничения, которые могут быть очевидны для специалистов в данной области, предполагаются входящими в рамки изобретения. Например, конденсатор необязательно должен быть изготовлен из стали 09Г2С, диаметрами труб 33,7×3,5 мм и 159×6 мм. Он может быть изготовлен из стали других марок или материалов с применением иных размеров труб.
Источники информации
1. Пат. 2327940 РФ, МПК F28D 15/00. Гравитационная тепловая труба / Абросимов А.И., Кутвицкая Н.Б., Минкин М.А., Рязанов А.В. - опубл. 27.06.2008, Бюл. №18.
2. Пат. 2387937 РФ, МПК F28D 15/02. Гравитационная тепловая труба / Абросимов А.И., Гвоздик В.И., Минкин М.А. - опубл. 27.04.2010, Бюл. №12.
3. Пат. 2416002 РФ, МПК E02D 3/115. Система температурной стабилизации основания сооружений на вечномерзлых грунтах / Долгих Г.М., Долгих Д.Г., Велечев С.П., Окунев С.Н., Феклистов В.Н. - опубл. 10.04.2011, Бюл. №10.
4. Пат. 2415226 РФ, МПК E02D 3/115. Система температурной стабилизации основания сооружений на вечномерзлых грунтах / Долгих Г.М., Долгих Д.Г., Велечев С.П., Окунев С.Н., Феклистов В.Н. - опубл. 27.03.2011, Бюл. №9.
5. Пат. 2515667 РФ, МПК E02D 3/115. Система температурной стабилизации основания сооружений на вечномерзлых грунтах / Долгих Г.М., Рило И.П. - опубл. 20.05.2014, Бюл. №14.
6. Пат. 2629281 РФ, МПК E02D 3/115. Охлаждающий термосифон для глубинной термостабилизации грунтов (варианты) / Рило И.П. - опубл. 28.08.2017, Бюл. №25.
7. Пат. 2527969 РФ, МПК E02D 3/115. Охлаждающее устройство для глубинной температурной стабилизации грунтов, оснований зданий и сооружений / Миронов И.А., Ибрагимов Э.В., Тихонов В.Н., Гамзаев Р.Г. - опубл. 10.09.2014, Бюл. №25.
8. Пат. 2655857 РФ, МПК E02D 3/115. Охлаждающий термосифон для площадочной термостабилизации грунтов (варианты) / Рило И. - опубл. 29.05.2018, Бюл. №16.