ОХЛАЖДАЕМОЕ ОСНОВАНИЕ СООРУЖЕНИЙ

Предлагаемая полезная модель относится к области строительства, а именно к основаниям и фундаментам различных сооружений, возводимых в районах крайнего Севера с вечномерзлым грунтом, более конкретно - к охлаждаемому основанию сооружений.
Особенности оснований сооружений, возводимых на вечномерзлом грунте, определяются специфическими климатическими условиями в высокоширотных районах Севера. В зимний период температура воздуха там продолжительное время довольно низкая и достигает часто минус 40°. Однако снежный покров и низкая теплопроводность грунта не позволяют ему глубоко и сильно промерзнуть. В летнее время года мерзлый грунт оттаивает, и при этом создается угроза деформации оснований и разрушения сооружений. Поэтому возникает необходимость продления мерзлого состояния грунта в летний период. Это достигается путем дополнительного захолаживания грунта с помощью охлаждающих установок, преимущественно сезонного действия. Эти установки, в частности гравитационные тепловые трубы, в зимнее время дополнительно охлаждают грунт, а летом не работают. С помощью таких устройств удается значительно повысить несущую способность оснований сооружений.
Известна конструкция насыпного охлаждаемого основания сооружений по патенту Российской Федерации на изобретение №2157872 (опубл. 20.10.2000 [1]), содержащая охлаждающие трубы, соединенные с конденсаторной частью, и размещенные над ними слои теплоизоляции и отсыпку грунта. При этом охлаждающие трубы, заполненные низкокипящей жидкостью, размещены внутри защитных труб, выполненных с заглушенным торцом с одной стороны и открытым торцом с другой, и заполненных теплопроводной жидкостью. Защитные трубы расположены под отсыпкой грунта и слоем теплоизоляции с уклоном 0°-10° к продольной оси основания в сторону заглушенных торцов, а открытые торцы выведены за пределы контура отсыпки грунта.
При понижении температуры атмосферного воздуха и температуры грунта начинается циркуляция газожидкостного потока в системе: конденсаторная часть - охлаждающие трубы, сопровождающаяся отбором тепла от грунта.
Такая конструкция имеет невысокую тепловую эффективность из-за большой протяженности парожидкостного тракта. Основание сооружения растопляется, особенно в области входа труб в грунт, даже в период весенних и осенних заморозков. По этой же причине затруднен запуск устройства в работу, особенно при суточных колебаниях температур. Кроме того, охлаждающие трубы соединены между собой, и выход из строя одной трубы нарушает циркуляцию газожидкостного потока всей системы, что существенно снижает надежность этой конструкции.
Известно также охлаждаемое основание сооружений по патенту Российской Федерации на полезную модель №33955 (опубл. 20.11.2003 [2]), содержащее грунтовую отсыпку с расположенным
в верхней ее части слоем теплоизоляции, а также охлаждающую систему сезонного действия из нескольких гравитационных тепловых труб, каждая из которых имеет зону конденсации, транспортную зону и зону испарения и выполнена герметичной и состоящей из двух участков. Один из этих участков, в котором находится зона испарения, расположен под углом к горизонту не более 10° и размещен полностью в отсыпке ниже слоя теплоизоляции. Другой участок, в котором находятся транспортная зона и зона конденсации, расположен вертикально или отклонен от вертикали не более, чем на 30°, таким образом, что зона конденсации полностью находится над поверхностью отсыпки.
Эта конструкция имеет более высокую по сравнению с предыдущей тепловую эффективность и надежность благодаря тому, что протяженность парожидкостного тракта каждой трубы невелика, и тому, что нарушение герметичности в каком-либо месте выводит из строя только одну трубу, но не всю охлаждающую систему.
Однако и эта конструкция охлаждаемого основания имеет недостаточно высокую тепловую эффективность и надежность. Как и в предыдущей конструкции, тепловая инерция замороженного зимой грунта отсыпки может оказаться недостаточной для поддержания его в твердом состоянии в летний период, что приведет к снижению несущей способности основания. Этот недостаток может быть лишь частично компенсирован увеличением количества труб в охлаждающей системе сезонного действия благодаря некоторому снижению температуры замороженного грунта, однако при этом снижается надежность, так как возрастает количество активных элементов, какими являются тепловые
трубы. Очевидно также, что это влечет за собой увеличение материальных затрат на возведение основания.
Охлаждаемое основание сооружений по патенту [2] является наиболее близким к предлагаемому.
Техническое решение по предлагаемой полезной модели направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении тепловой эффективности и несущей способности основания сооружения с одновременным повышением надежности и снижением материальных затрат на его строительство.
Предлагаемое охлаждаемое основание сооружений, как и наиболее близкое к нему известное, содержит грунтовую отсыпку с расположенным в верхней ее части слоем теплоизоляции, а также охлаждающую систему сезонного действия из нескольких гравитационных тепловых труб, каждая из которых имеет зону конденсации, транспортную зону и зону испарения и выполнена герметичной и состоящей из двух участков. Один из этих участков, в котором находится зона испарения, расположен под углом к горизонту не более 10° и размещен полностью в грунтовой отсыпке ниже слоя теплоизоляции. Другой участок, в котором находятся транспортная зона и зона конденсации, расположен вертикально или отклонен от вертикали не более, чем на 30°, таким образом, что зона конденсации полностью находится над поверхностью грунтовой отсыпки.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом основании, в отличие от наиболее близкого к нему известного, охлаждающая система сезонного действия дополнительно содержит емкости из эластичного материала с аккумулирующим холод веществом, размещенные в грунтовой отсыпке
ниже слоя теплоизоляции возле участков тепловых труб, в которых находятся их зоны испарения.
Наличие таких емкостей при указанном их размещении позволяет эффективно охладить их в холодный период года поддерживать благодаря их присутствию низкую температуру грунта отсыпки в теплый период года без при меньшем количестве тепловых труб, что свидетельствует о повышении тепловой эффективности устройства. Соответственно, это позволяет обеспечить требуемую несущую способность основания сооружения без увеличения или при уменьшении количества тепловых труб, являющихся активными элементами, и, следовательно, одновременно повысить надежность. Увеличение несущей способности и обеспечение требуемого ее уровня достигаются не за счет усложнения охлаждающей системы вследствие дополнения ее активными элементами, а благодаря конструктивно простым пассивным элементам, какими являются емкости с аккумулирующим холод веществом. Очевидно, что это способствует и снижению материальных затрат ввиду существенно более низкой стоимости упомянутой емкости по сравнению со стоимостью тепловой трубы. Выполнение емкостей для аккумулирующего холод вещества из эластичного материала позволяет сохранить их герметичность в процессе затвердевания и дальнейшего охлаждения уже затвердевшего вещества из-за увеличения его объема и благодаря этому предотвратить негативное влияние на надежность включения в состав конструкции дополнительных элементов, какими являются упомянутые емкости.
Каждая емкость с аккумулирующим холод веществом может быть заключена в жесткий каркас. Наличие жесткого каркаса предохраняет емкость с аккумулирующим холод веществом от
повреждения и поэтому дополнительно повышает надежность охлаждающей системы и основания в целом.
Кроме того, емкость из эластичного материала с аккумулирующим холод веществом, заключенная в жесткий каркас, сохраняет свою форму и при наклонном по отношению к горизонту расположении. Это позволяет осуществлять единую планировку грунта под части тепловых труб, содержащие зоны испарения, и под емкости с аккумулирующим веществом.
Аккумулирующим холод веществом может быть жидкость, затвердевающая при температуре 0° - минус 3°С. Такой выбор наиболее целесообразен с учетом того, что содержащаяся в грунте вода имеет температуру замерзания 0°С.
Рациональным выбором аккумулирующего холод вещества является вода, поскольку лед имеет высокую удельную теплоту плавления.
Емкость с аккумулирующим холод веществом может быть выполнена в виде сосуда с горловиной, имеющей герметично закрывающуюся крышку. Это позволяет производить заполнение емкости как заранее, так и во время строительства охлаждаемого основания.
Емкости с аккумулирующим холод веществом могут быть размещены как на одном уровне с участками тепловых труб, содержащими зону испарения, чередуясь с ними в направлении, параллельном поверхности основания, так и в разных уровнях над указанными участками или под ними. В зависимости от выбора размещения емкостей с аккумулирующим холод веществом, могут быть обеспечены наибольшая площадь охлаждаемого основания при ограниченном количестве тепловых труб или наибольшая
глубина грунта, поддерживаемого в замороженном состоянии.
Предлагаемое техническое решение иллюстрируется чертежами фиг.1 - фиг.3:
- на фиг.1 и фиг.3 представлена конструкция охлаждаемого основания в вертикальном разрезе для двух разных случаев взаимного размещения зон испарения тепловых труб и емкостей с аккумулирующим холод веществом;
- на фиг.2 показан вид А-А фиг.1.
В соответствии с фиг.1, 3 сооружение 1 установлено на охлаждаемом основании, включающем в себя грунтовую отсыпку 2, теплоизоляционный слой 3 и охлаждающую систему сезонного действия. Последняя содержит нескольких гравитационных тепловых труб 12, каждая из которых выполнена герметичной и состоящей из двух участков. Один из этих участков, в котором находится зона 6 испарения, расположен под углом к горизонту не более 10° и размещен полностью в грунтовой отсыпке 2 ниже слоя 3 теплоизоляции. Другой участок, в котором находятся транспортная зона 2 и зона 4 конденсации, расположен вертикально или отклонен от вертикали не более, чем на 30°. При этом зона 4 конденсации, в которой труба 12 снабжена показанным на фиг.1 оребрением, полностью находится над поверхностью грунтовой отсыпки 2.
Охлаждающая система сезонного действия содержит также емкости 8 из эластичного материала (например, из резины или пластмассы) с аккумулирующим холод веществом 9. Эти емкости размещены в грунтовой отсыпке 2 ниже слоя 3 теплоизоляции возле тех участков гравитационных тепловых труб 12, в
которых находятся их зоны 6 испарения (см. фиг.2, изображающий в плане размещение зон 6 испарения тепловых труб и емкостей 8 с аккумулирующим холод веществом 9). Каждая емкость 8 заключена в жесткий каркас 7. Последний выполнен в виде опалубки или трубы, изготовленной из металла или пластмассы.
Взаимное размещение зон 6 испарения тепловых труб 12, показанное на фиг.1 и фиг.2, является лишь одним из частных случаев. Возможны и другие частные случаи взаимного размещения как в одном уровне, так и в разных уровнях. Например, вместо показанного на фиг.2 размещения со взаимным смещением рядов чередующихся зон 6 испарения и емкостей 8 может быть реализовано расположение таких же рядов без смещения - когда емкости и зоны испарения одного ряда будут находиться соответственно напротив емкостей и зон испарения другого ряда.
Основание по фиг.3 отличается от изображенного на фиг.1 тем, что емкости 8 и зоны 6 испарения тепловых труб размещены не в одном, а в разных уровнях, а именно, емкости 8 находятся над участками тепловых труб, содержащими зоны 6 испарения.
Емкости 8, расположенные на фиг.1 между испарителями 8 тепловых труб 12, а на фиг.3 - над ними, представляют собой сосуды, изготовленные из эластичного материала и ограниченные жесткими каркасами 7. Емкости имеют заправочную горловину 10, которую герметизируют крышкой 11 после окончания заправки аккумулирующим холод веществом 9. Последнее обладает свойством изменения своего агрегатного состояния с жидкого на твердое при температуре 0 - минус 3°. В качестве такой жидкости может быть использована, в частности, вода.
Верхняя часть 4 каждой гравитационной тепловой трубы 12 имеет оребрение и служит воздушным теплообменником или конденсатором для теплоносителя, заправленного в тепловую трубу. Нижняя часть 6 тепловой трубы, находящаяся в грунтовой отсыпке 2, является испарителем. Тепло грунта воспринимается испарителем, переносится паром хладагента наверх в конденсатор и отдается окружающему воздуху, омывающему оребрение. В холодный период года тепловые трубы перекачивают теплоту грунта отсыпки 2 в окружающий воздух. Грунт и вещество 9 в емкостях 8, находившееся до этого в жидком состоянии, охлаждаются и затвердевают. При этом скрытая теплота затвердевания жидкости 9 также переносится в воздух. Далее происходит более глубокое охлаждение грунта и замерзшей жидкости 9 в емкостях 8 с понижением температуры. В теплое время года тепловые трубы 12 сезонного действия не работают. Под действием внешних климатических факторов и теплоподвода от сооружения 1 происходит отепление грунта в отсыпке 2. Однако таяние замерзшего вещества 9 в емкостях 8 сопровождается поглощением большого количества поступающей извне теплоты и поэтому способствует замедлению перехода грунта отсыпки 2 в незамороженное состояние. Тем самым обеспечивается круглогодичная высокая несущая способность основания сооружения.
Источники информации
1. Патент Российской Федерации на изобретение №2157872, опубл. 20.10.2000.
2. Патент Российской Федерации на полезную модель №33955, опубл. 20.11.2003.