ПРЯМОТОЧНОЕ ЕСТЕСТВЕННО-КОНВЕКТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ МЕРЗЛОГО ГРУНТА

Полезная модель относится к средствам, предназначенным для термостабилизации мерзлых грунтов оснований сооружений.
Известно, как система ГЕТ, устройство с горизонтальным охлаждающим элементом (испаритель) и конденсатором [1. Г.М.Долгих, С.Н.Окунев, С.Н.Стрижков, Д.С.Паздерин, Н.Г.Гилев. Исследования систем температурной стабилизации грунтов на опытно-промышленном полигоне // Материалы международной научно-практической конференции по инженерному мерзлотоведению, 2011, Тюмень, 7-10 ноября, с.36-42]. Работа устройства обеспечивается замкнутым циклом естественно-конвективного движения хладагента в двух фазах: жидкая фаза, отбирая тепло от грунта, испаряется в трубе испарителя, а пар конденсируется в конденсаторе, отдавая тепло в атмосферу, и стекает обратно в испаритель. Система ГЕТ является прямоточной, т.е. сток конденсата из конденсатора и обратное поступление пара в него осуществляется по раздельным магистралям (в противоточных системах сток конденсата и обратный поток пара происходит по общей магистрали). Применяемые системы имеют длину испарителя свыше 200 м при отношении его длины к диаметру свыше 10000.
Подтвердить эффективность работы систем ГЕТ могли бы мониторинговые исследования их натурных образцов, которые использованы при строительстве ряда сооружений. Однако в настоящее время данные таких наблюдений, удовлетворяющие необходимым критериям (по разделению влияния различных факторов, наличию контрольных температурных скважин и т.д.) отсутствуют в публикациях.
Лабораторные исследования работы моделей таких устройств показывают, что существует некоторая предельная (критическая) длина испарителя, превышение которой приводит к прекращению циркуляции хладагента, а охлаждающий эффект при этом исчезает полностью. Отношение предельной длины к диаметру испарителя для испытываемых моделей существенно ниже значения 10000 [2. Я.Б.Горелик, Р.Я.Горелик Лабораторное моделирование работы двухфазного естественно-конвективного устройства с горизонтальной испарительной частью // Криосфера Земли, T.XV, №2, 2011, с.34-43].
Определение критической длины испарителя для конкретного устройства теоретическими методами в настоящее время не представляется возможным вследствие довольно сложной структуры реально наблюдаемой (в лабораторных условиях) структуры потока хладагента на двухфазном участке его течения и, в этой связи, недостаточной разработанностью расчетных методов, определяющих эффективность теплообмена между испарителем и конденсатором устройства [3. A.M. Кутепов, Л.С. Стерман, Н.Л. Стюшин Гидродинамика и теплообмен при парообразовании, М., Высшая школа, 1986, 448 с.].
Определение этой величины экспериментальным путем на натурных образцах устройства практически невозможно в силу высокой сложности и стоимости такой процедуры.
k
Критическая длина испарителя должна быть установлена специальными экспериментальными и теоретическими исследованиями для каждой конкретной конструкции устройства на лабораторной модели устройства. С этой целью должна быть собрана лабораторная модель устройства по схеме, изложенной в работе [2]. Критическая длина устанавливается путем проведения серии экспериментов с последовательным наращиванием длины испарителя (в лабораторных условиях - примерно на 1,5-2 м на каждом шаге) до того его значения, при котором циркуляция хладагента прекращается и одновременно исчезает охлаждающий эффект на испарителе. Эта предельная длина определяется как критическая. Далее устанавливается критическое отношение предельной длины трубки испарителя модели к ее диаметру (ϕ). Полученное для модели критическое отношение принимается справедливым для натурного образца. Критическая длина испарителя для натурного образца устанавливается по формуле:
Задачей, стоящей перед полезной моделью, является создание работоспособного устройства, обеспечивающего термостабилизацию мерзлого грунта по достаточно большой площади основания.
Для решения поставленной задачи прямоточное естественно-конвективное устройство для термостабилизации мерзлого грунта, содержащее горизонтально расположенный трубчатый испаритель и конденсаторный блок, снабжено несколькими конденсаторными блоками, причем длина участка трубы испарителя между любой парой соседних промежуточных конденсаторных блоков не превышает значения критической длины, а между промежуточным и концевым конденсаторными блоками - значения в 3/2 этой длины (для прямоточного устройства длина испарителя между парой конденсаторных блоков понимается как полная или суммарная длина испарителя между конденсаторными блоками).
На чертеже (Фиг.1) показан один из вариантов размещения испарителя и конденсаторных блоков на строительной площадке.
Прямоточное естественно-конвективное устройство для термостабилизации мерзлого грунта содержит горизонтально расположенный на строительной площадке трубчатый испаритель 1, по длине которого установлены концевые конденсаторные блоки 2 и промежуточный блок 3. Промежуточный конденсаторный блок осуществляет прием пара и сток конденсата одновременно на два участка испарителя, примыкающих к концевым конденсаторным блокам. Концевые конденсаторные блоки осуществляют только односторонний прием пара и сток конденсата (стрелки на Фиг.1 обозначают направление движения хладагента по отдельным участкам испарителя).
k
k
k
k
k
При определении числа конденсаторных блоков (при идентичной конструкции и производительности) и их размещении по отношению к участкам испарителя должно выполняться правило: суммарная длина участка трубы испарителя между любой парой соседних промежуточных конденсаторных блоков должна быть меньше значения l, а между промежуточным и концевым конденсаторными блоками - значения в 3/2·l. В этом случая работа любого из конденсаторного блока обеспечивает нормальный прием, конденсацию и сток хладагента с участка испарителя длиной, не превышающей l. Для приведенного на чертеже примера при предельно возможной длине участка испарителя между промежуточным и концевым конденсаторными блоками в 3/2 l, длина отдельного колена испарителя равна l/4 (шесть колен).