ОХЛАЖДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Полезная модель относится к области строительства, а именно к основаниям, возводимым на многолетнемерзлых и слабых грунтах, насыпям железных и автомобильных дорог.
Насыпи железных и автомобильных дорог оказывают на вечномерзлые грунты основания большое тепловое влияние. Проезжая часть - охлаждающее, из-за очистки снега зимой; откосы - отепляющее, из-за скопления снега зимой и инсоляционного прогрева летом. В целом под низкими насыпями (ширина проезжей части больше ширины откосов) происходит охлаждение вечномерзлых грунтов, под высокими - растепление грунтов и часто их оттаивание. Оттаивание приводит к деформациям дорожного полотна. Для борьбы с оттаиванием используются вертикальные и наклонные парожидкостные сезонно действующие охлаждающие установки (СОУ), которые устанавливаются с двух сторон пути с шагом 2-5 м
Известна гравитационная тепловая труба, предложенная американским инженером Лонгом в 1965 г., представляющая собой стальную герметичную трубу, заполненную пропаном, и выполняющая роль фундамента (отсюда он получил название термосвая) [Long E.L. Long thermohile // Proc. Intern. Permafrost Cjnf. USA, 1965, p. 487-491.].
Работает система следующим образом. В результате разности температур в испарителе и конденсаторе хладагент испаряется, отнимая тепло от окружающий испаритель среды, и в виде пара поступает в конденсатор, где пар конденсируется, выделяя тепло в окружающую конденсатор среду, а конденсат стекает по внутренней поверхности конденсатора в испаритель, образуя замкнутый цикл «испарение - конденсация». Эффективность работы тепловой трубы зависит от скорости движения конденсата, определяющего скорость цикла «испарение - конденсация» и от площади поверхности смачивания конденсатом внутренней поверхности испарителя.
В гравитационных тепловых трубах движение конденсата происходит под действием гравитационных сил, направленных сверху-вниз перпендикулярно поверхности Земли. В противоположном направлении гравитационные силы не работают. Поэтому в примере «тепловая труба в грунте» летом испаритель располагается над землей (в верху), а конденсатор под землей (в низу), конденсат остается неподвижным и цикл «испарение - конденсация» прерывается и тепловая труба перестает работать. Это важное свойство гравитационной тепловой трубы, работающей по схеме полупроводника (холод пропускает, тепло задерживает) широко используется на практике. Наклон испарителя гравитационной тепловой трубы к горизонту приводит к уменьшению составляющей гравитационной силы, направленной по оси испарителя и определяющей скорость движения конденсата, и при углах наклона больше 10° эта сила становится меньше силы трения конденсата о поверхность испарителя и движение конденсата прекращается. Таким образом, чем меньше угол наклона, тем меньше скорость цикла «испарение - конденсация», а следовательно эффективность работы гравитационной тепловой трубы.
Другим важным фактором эффективности работы тепловой трубы является площадь поверхности испарения испарителя, определяемая поверхностью смачивания. Чем она больше, тем эффективность выше. В гравитационных тепловых трубах наклон испарителя к горизонту приводит к преобразованию пленочного движения конденсата по всей поверхности испарителя в струйное в нижней части трубы, что существенно сокращает площадь испарения, а следовательно и эффективность работы тепловой трубы.
Недостатком такой конструкции является необходимость строго вертикального расположения трубы для обеспечения равномерного растекания жидкой пленки хладагента по ее внутренней поверхности.
Известна капиллярная тепловая труба, представляющая собой стальную герметичную трубу, заполненную пропаном, и закрепленный на внутренней поверхности трубы средство для увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем (фитиль) [Патент США №2350348, F25D 11/025, F25D 11/02, F28D 15/04, опубл. 1944 г.].
Фитиль представляет собой пористое тело, изготовленное из металлической сетки или спекшегося металлического порошка, например, порошка меди.
Благодаря фитилю конденсат в трубе распределяется равномерно по всему внутреннему периметру трубы и перемещается под действием капиллярных сил от участка с меньшей температурой к участку с большей температурой, независимо от положения трубы в пространстве. В капиллярных тепловых трубах движение конденсата происходит под действием капиллярных сил, которые не зависят от положения трубы в пространстве, а зависят лишь от размера пор фитиля, кроме того в капиллярных тепловых трубах поверхность смачивания конденсатом равна поверхности фитиля полностью покрывающего внутреннюю поверхность трубы. В примере «капиллярная тепловая труба в грунте» труба будет работать и в летнее время, проводя тепло в грунт, что неприемлемо, если производится охлаждение грунта.
Наиболее близким техническим решением является охлаждающее устройство для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов, включающее герметичную трубу, с удаленным воздухом и залитым хладагентом, состоящую из двух участков, соответственно, конденсации и испарения, и расположенное на внутренней стенке трубы средство для увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем, при этом участок конденсации трубы расположен вертикально над землей и имеет оребрение, увеличивающее поверхность охлаждения, участок испарения расположен под землей наклонно к горизонту [Патент РФ №33955, кл. E02D 3/115, опубл. 2003 г.].
Участок конденсации расположен вертикально или отклонен от вертикали не более, чем на 30°, а на внутренней его стенке ниже уровня грунта выполнены карманы для задерживания стекающего конденсата (кольцевыми, спиралевидными или иметь иную форму). Участок испарения расположен наклонно к горизонту под углом не более 10°.
Недостатком известного охлаждающего устройства является потеря эффективности работы при отклонении участка испарения от вертикали, а также невозможность расположения участка испарения параллельно дневной поверхности, что дает наибольший эффект при охлаждении дорожного полотна. Кроме того, расположенное на внутренней стенке трубы участка конденсаци средство для увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем, в виде карманов перераспределяет конденсат по всей внутренней поверхности трубы перед его отеканием на участок испарения, но далее при отклонении участка испарения от вертикали средство не обеспечивает полного смачивания трубы на участке испарения, но в то же время создает дополнительное препятствие на пути движения конденсата и тем снижают скорость движения под действием гравитационных сил и, как следствие, эффективность устройства.
Задачей, решаемой полезной моделью является повышение эффективности работы устройства.
Поставленная задача решается тем, что в охлаждающем устройстве для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов, включающем герметичную трубу, с удаленным воздухом и залитым хладагентом, состоящую из двух участков, соответственно, конденсации и испарения, и расположенное на внутренней стенке трубы средство для увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем, при этом участок конденсации трубы расположен вертикально над землей и имеет оребрение, увеличивающее поверхность охлаждения, участок испарения расположен под землей наклонно к горизонту, средство для увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем, выполнено на всей внутренней поверхности участка испарения в виде сетки или спекшегося металлического порошка из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, а участок испарения трубы установлен под углом к горизонту от 0 до 90°.
Целесообразно сетку средства для увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем выполнить из нержавеющей стали, а в качестве металлического порошка средства для увеличения поверхности трубы, использовать порошок меди
На фиг. 1 представлено устройство с вертикальным расположением участка испарения вертикально.
На фиг. 2 - устройство с расположением участка испарения под углом.
Охлаждающее устройство для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов состоит из герметичной трубы с удаленным воздухом и залитым хладагентом, состоящей из двух участков соответственно конденсации 1 и испарения 2. В качестве хладагента использован, например, аммиак.
Участок конденсации 1 расположен вертикально над землей и имеет оребрение 3 с целью увеличения поверхности охлаждения, участок испарения 2 - под землей наклонно или вертикально.
Средство 4 для увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем, выполнено на всей внутренней поверхности участка испарения 2 в виде сетки или спекшегося металлического порошка из материала с высоким коэффициентом теплопроводности.
Устройство работает следующим образом.
Зимой, когда температура участка испарения 2 выше температуры участка конденсации 1, хладагент в участке 2 испаряется и в виде пара 5 поступает в участок 1, где под действием естественного холода превращается в конденсат 6 и под действием гравитационных сил по внутренней стенке участка 1 стекает в участок 2.
При этом стекание конденсата 6 по всей внутренней стенке участка конденсации 1 не обязательно, оно может происходить как в виде пленки, так и в виде отдельной струи или струй. Это важное обстоятельство, оно позволяет не предъявлять жестких требований к вертикальному положению участка 1.
В участке испарения 2 конденсат 6 перехватывается средством 4 и равномерно распределяется по всей внутренней поверхности участка 2 и под действием гравитационных и капиллярных сил перемещается к его низу.
По мере движения конденсата 6 по средству 4 конденсат 6 превращается в пар 5, который поступает в участок конденсации 1, где вновь конденсируется и таким образом круг замыкается. На парообразование затрачивается большое количество тепла, которое изымается из грунта.
По мере наклона участка испарения 2 к горизонту влияние гравитационных сил уменьшается, однако капиллярные силы остаются неизменными, что позволяет располагать участок испарения под углом 90° к вертикали. Это одно из важных преимуществ предлагаемого устройства по сравнению с известными. Было рассмотрен круговой процесс теплообмена в системе «атмосфера - установка - грунт» в зимнее время.
Летом указанный процесс прекращается, поскольку температура участка конденсации 1 становится выше температуры участка испарения 2 и по своему функциональному действию 1 и 2 участки трубы меняются местами, а связь между ними отсутствует, ибо гравитационные силы снизу-вверх не работают, а капиллярные силы действуют лишь в пределах средства 4 для увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем, который ограничивается размерами участка испарения 2.
Таким образом, предлагается в целях охлаждения основания дорожного полотна на вечномерзлых грунтах применить новую конструкцию охлаждающего устройства для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов - гравитационно-капиллярную тепловую трубу, объединяющую сильные стороны гравитационных и капиллярных тепловых труб.
Гравитационно-капиллярная тепловая труба работает только зимой, а ее подземная часть может иметь наклон к горизонту от 0° до 90° без потери эффективности работы устройства.
Возможность гравитационно-капиллярной тепловой трубы располагаться под углом 0° к горизонту позволяет наиболее эффективно использовать ее для охлаждения основания дорожного полотна, ибо в этом случае охлаждение ведется непосредственно от подошвы насыпи и оттаивание многолетнемерзлых грунтов полностью исключается, что защищает дорожное полотно от просадок. Это важная отличительная особенность гравитационно-капиллярной тепловой трубы обеспечивается наличием средства для увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем, расположенным только в пределах участка испарения. Такое расположение устройства превращает гравитационно-капиллярную трубу в полупроводник (холод пропускает, тепло задерживает) и кроме того за счет действия капиллярных сил обеспечивает движение конденсата на участке испарения при любом наклоне этого участка к горизонту.