ТЕРМОСВАЯ ДЛЯ СООРУЖЕНИЙ, ВОЗВОДИМЫХ НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к фундаментостроению в регионах распространения вечномерзлых грунтов и грунтов с глубоким сезонным промерзанием и может быть использована в качестве свайных фундаментов, охлаждающих окружающие грунты под зданиями и сооружениями (трубопроводы, мачты, мосты и др.).
Известна охлаждаемая свайная опора для сооружений, возводимых на вечномерзлом грунте [1], содержащая частично заглубленный в грунт металлический или железобетонный ствол, снабженный со стороны верхнего торца опорной площадкой, а также охлаждающее устройство сезонного действия и емкость с аккумулирующим холод веществом. Емкость выполнена из эластичного материала и размещена вне указанного ствола в выполненной в грунте закрытой сверху вертикальной скважине с прилеганием к ее стенкам, а аккумулирующим холод веществом в этой емкости является вода, при этом охлаждающее устройство сезонного действия выполнено в виде одной или нескольких размещенных вне указанного трубчатого ствола вертикально ориентированных гравитационных тепловых труб с зонами испарения и конденсации и размещенной между ними транспортной зоной, причем зона испарения каждой из этих тепловых труб находится ниже, а зона конденсации - выше поверхности грунта. Свайная опора снабжена одной или несколькими дополнительными емкостями с аккумулирующим холод веществом, выполненными из эластичного материала, каждая из которых размещена вне указанного ствола в выполненной в грунте вертикальной скважине, закрытой сверху. Емкость с аккумулирующим холод веществом заключена в жесткий футляр и выполнена в виде сосуда с горловиной, имеющей герметично закрывающуюся крышку.
Недостатком данной свайной опоры является сложность изготовления, транспортировки и монтажа, а также невозможность охлаждения сваи в заданных участках грунтов по ее длине.
Известна тепловая свая [2], включающая железобетонный или металлический ствол с внутренней или наружной тепловой трубой в виде оребренного испарителя и конденсаторами, выполненными с металлическим пластинчатым оребрением, и расположенными над поверхностью грунта наклонно к вертикальной части ствола. Тепловая свая имеет Т-образную форму, а тепловая труба в виде оребренного испарителя выполнена симметрично двойной относительно оси ствола с соединением одних концов ее испарителей, другие концы соединены с конденсаторами, при этом оребрение испарителей выполнено в виде выпуклых вверх кольцевых поверхностей с центральными проходами, закрепленных на внутренних поверхностях стенок испарителей тепловой трубы и равномерно распределенных по ее высоте, а металлическое пластинчатое оребрение конденсаторов является элементом горизонтальной части Т-образной тепловой сваи. К поверхностям конденсаторов приварены штуцеры для подключения системы аварийного оттаивания тепловой сваи.
Такое техническое решение повышает эффективность охлаждения по сравнению с испарителями без оребрения, но запатентованная конструкция не позволяет направлять тепловые потоки и проводить охлаждение в заданных участках грунтов по длине сваи, кроме того, свая достаточно сложна при изготовлении и транспортировке.
Известна свайная опора для сооружений, возводимых на вечномерзлом грунте [3], содержащая частично заглубленный в грунт металлический или железобетонный трубчатый ствол с закрытыми торцами, верхний из которых является опорной площадкой, а также охлаждающее устройство сезонного действия, причем в заглубленной части указанного трубчатого ствола размещена емкость с аккумулирующим холод веществом. Емкость выполнена из эластичного материала и размещена с возможностью прилегания к внутренней поверхности стенки трубчатого ствола, а аккумулирующим холод веществом в этой емкости является вода, при этом охлаждающее устройство сезонного действия выполнено в виде размещенных вне указанного трубчатого ствола одной или нескольких вертикально ориентированных гравитационных тепловых труб с зонами испарения и конденсации и размещенной между ними транспортной зоной, причем зона испарения каждой из этих тепловых труб находится ниже, а зона конденсации - выше поверхности грунта. Емкость с аккумулирующим холод веществом заключена в жесткий каркас и выполнена в виде сосуда с горловиной, имеющей герметично закрывающуюся крышку.
К недостаткам данной свайной опоры относятся: сложность изготовления и необходимость дополнительной установки вне сваи тепловых труб. Низкая эффективность, так как тепловые трубы находятся вне сваи, а емкость с водой (льдом) имеет более высокую отрицательную температуру, чем тепловая труба, что снижает несущую способность сваи. Невозможность охлаждения сваи в заданных участках грунтов по ее длине.
Цель полезной модели - повышение эффективности работы тепловых труб и несущей способности свай, а также удобство монтажа и эксплуатации.
Поставленная цель достигается тем, что термосвая для сооружений, возводимых на вечномерзлых грунтах состоит из металлического или железобетонного ствола с опорной площадкой, заглушкой нижнего торца и герметичной тепловой трубой, заполненной двухфазным низкокипящим теплоносителем, имеющей расположенные друг над другом зоны испарения, транспортирования и конденсации. По первому варианту тепловая труба размещена внутри ствола, причем зоны испарения и конденсации имеют тепловой контакт с трубчатым стволом через теплопроводящие элементы, зона транспортирования теплоизолирована от металлической трубы сваи, а теплопроводящие элементы выполнены в виде колец с центральным отверстием под тепловую трубу. Между кольцами теплопроводящих элементов в отдельных частях зоны испарения размещены вставки, теплоизолирующие тепловую трубу от трубчатого ствола. По высоте конденсаторной части может быть предусмотрен радиатор воздушного охлаждения, выполненный из колец различного наружного диаметра и размещенный вне металлической сваи.
По второму варианту термосвая имеет внутренний и внешний железобетонные или металлические трубчатые стволы с общей опорной площадкой и заглушкой нижнего торца, а также размещенные между ними, по меньшей мере, две герметичные тепловые трубы, заполненные двухфазным низкокипящим теплоносителем с расположенными друг над другом зонами конденсации, транспортирования и испарения, причем в зонах конденсации и испарения тепловые трубы имеют тепловой контакт с внешним трубчатым стволом через теплопроводящие элементы, а зона транспортирования теплоизолирована от внешнего трубчатого ствола термосваи, при этом теплопроводящие элементы в зонах конденсации и испарения выполнены в виде колец или сегментов с соосными периферическими отверстиями под тепловые трубы. Внутренний трубчатый ствол и центральные отверстия колец или сегментов теплопроводящих элементов имеют круглую или многоугольную форму. Между кольцами или сегментами теплопроводящих элементов в зоне испарения установлена, по меньшей мере, одна вставка, теплоизолирующая внешние трубчатые стволы термосваи от тепловых труб. В кольцах или сегментах теплопроводящих элементов выполнены дополнительные соосные периферические отверстия для бетонирования и установки стальных арматурных каркасов. Тепловые трубы внутри термосваи могут играть роль арматурного каркаса. Термосвая является герметичной, имеет стационарный клапан для контроля, добавления и замены хладоносителя.
На фиг. 1 изображен вертикальный разрез термосваи с одной тепловой трубой; на фиг. 2 то же сечение Α-A; на фиг. 3 вертикальный разрез термосваи с внутренним стволом в форме круга и несколькими тепловыми трубами; на фиг. 4 то же сечение Б-Б; на фиг. 5 вертикальный разрез термосваи с внутренним стволом в форме многоугольника; на фиг. 6 то же сечение С-С.
Термосвая для сооружений, возводимых на вечномерзлых грунтах (вариант 1), состоит из металлического или железобетонного ствола 1 с опорной площадкой, на которую опирается надземная конструкция, заглушкой нижнего торца (поз. на чертеже условно не показаны) и размещенной внутри герметичной тепловой трубой 2, заполненной двухфазным низкокипящим теплоносителем, имеющая расположенные друг над другом зоны испарения 3, транспортирования 4 и конденсации 5, причем зоны испарения и конденсации имеют тепловой контакт с металлическим трубчатым стволом через теплопроводящие элементы 6. Зона транспортирования 4 теплоизолирована элементами 7 от металлического или железобетонного ствола 1. В зонах испарения 3 и конденсации 5 теплопроводящие элементы 6 выполнены в виде колец с центральным отверстием под тепловую трубу 2. Между кольцами теплопроводящих элементов 6 в отдельных частях зоны испарения размещены теплоизолирующие элементы 8 для организации необходимого распределения теплового потока по высоте термосваи от грунта к тепловой трубе. Вся часть внутреннего объема металлического или железобетонного ствола 1, не занятая деталями 6 и 7, заполнена цементным раствором 9. В зонах испарения 3 и конденсации 5 цементный раствор заполняет через отверстия 10 весь свободный объем между теплопроводящими элементами 6. По высоте конденсаторной части может быть предусмотрен радиатор воздушного охлаждения 11, выполненный из металлических колец различного наружного диаметра, размещенных на наружной поверхности металлического или железобетонного ствола 1. Техническое обслуживание тепловых труб 2 после окончательной сборки термосваи производится с помощью стационарных клапанов 12 для контроля, добавления и замены хладоносителя в эксплуатационный период.
Под значительные нагрузки предлагается термосвая большого диаметра (вариант 2а) для сооружений, возводимых на вечномерзлых грунтах, имеющая внешний 1 и внутренний в форме круга (поз. на чертеже условно не показана) железобетонный или металлический трубчатый ствол с общей опорной площадкой и заглушкой нижнего торца (поз. на чертеже условно не показаны). Между внешним 1 и внутренним трубчатыми стволами размещены, по меньшей мере, две герметичные тепловые трубы 2, заполненные двухфазным низкокипящим теплоносителем, расположенные друг над другом зоны испарения 3, транспортирования 4 и конденсации 5, причем в зонах испарения и конденсации тепловые трубы имеют тепловой контакт с внешним металлическим трубчатым стволом через теплопроводные элементы 6. Зона транспортирования 4 теплоизолирована элементами 7 от металлического или железобетонного ствола 1. В зонах испарения 3 и конденсации 5 теплопроводящие элементы 6 могут быть выполнены в виде колец или сегментов с центральным отверстием, количество которых равно числу тепловых труб 2. Вся часть внутреннего объема металлического или железобетонного ствола 1, не занятая деталями 6, 7 и 8, заполнена цементным раствором 9. В зонах испарения 3 и конденсации 5 цементный раствор заполняет через отверстия 10 весь свободный объем между теплопроводящими элементами 6.
В варианте 26 внутренний трубчатый ствол термосваи (поз. на чертеже условно не показана) имеет форму многоугольника и заполняется цементным раствором 9.
Термосвая во всех вариантах является герметичной, имеет стационарный клапан для контроля, добавления и замены хладоносителя.
Тепловые трубы внутри термосваи могут играть роль арматурного каркаса.
Устройство изготавливается следующим образом.
В заводских условиях на тепловые трубы 2 плотно насаживаются теплопроводные элементы 6 и надеваются теплоизолирующие элементы 7, 8 как показано на фиг. 1, фиг. 3, фиг. 5. Образованная конструкция из указанных выше элементов термосваи вставляется в ствол 1, нижний торец которого имеет заглушку. Полость ствола 1 заполняется цементным раствором 9. После сборки и проведения контрольных испытаний системы тепловых труб 2 с помощью стационарных клапанов 12 термосвая готова к установке в грунт.
Устройство работает следующим образом. С наступлением отрицательных температур наружного воздуха происходит конденсация хладагента в конденсаторной зоне 5 тепловых труб 2 термосваи и возникает движение хладагента через теплоизолированную от прилегающего грунта зону транспортирования 4 в зону испарения 3, в результате чего температура зоны испарения 3 термосваи становится ниже температуры окружающего грунта. Тепловой поток от грунта поступает в испарительную зону 3 тепловых труб, где происходит повышение температуры и кипение жидкого хладагента с образованием паров. За счет перепада давления пара между зонами испарения 3 и конденсации 5 вновь образованные пары хладагента, поднимаясь вверх, попадают в зону конденсации 5. Далее цикл движения хладагента повторяется.
В результате применения теплопроводных элементов 6 и оптимального расположения тепловых труб 2 тепловой контакт термосваи с грунтом происходит на поверхности большого диаметра с минимальным тепловым сопротивлением, что обеспечивает эффективный процесс замораживания грунта.
Предлагаемая полезная модель позволяет:
- совместить в одной конструкции несущую и охлаждающую функции;
- повысить эффективность охлаждения за счет кольцевых дисков внутри сваи в зоне конденсатора и испарителя тепловых(ой) труб(ы);
- охлаждать грунты не по всей длине сваи, а на заданных участках;
- использовать несколько тепловых труб для свай большего диаметра, в том числе буронабивных;
- изготавливать термосваи полностью в заводских условиях;
- устанавливать термосваи в грунт как обычные сваи. Разработанная термосвая удобна для транспортировки и монтажа и экономически эффективна.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патент РФ №2384672, МПК E02D 3/115. Охлаждаемая свайная опора для сооружений, возводимых на вечномерзлом грунте / Абросимов А.И., Абросимова В.А., Васильева М.Е. - Опубл. 20.03.2010.
2. Патент РФ №2250302, МПК E02D 3/115, E02D 3/11, E02D 3/12. Тепловая свая / Овечкин Г.И., Двирный В.В., Леканов А.В. и др. - Опубл. 20.04.2005.
3. Патент РФ №2384671, МПК E02D 3/115. Свайная опора для сооружений, возводимых на вечномерзлом грунте / Абросимов А.И., Абросимова В.А., Васильева М.Е. - Опубл. 20.03.2010.