Устройство для замораживания грунтов на боковых участках строительных сооружений

Полезная модель относится к строительству инженерных сооружений в криолитозоне.
Известно устройство для замораживания грунтов на боковых участках строительных сооружений (Цернант А.А., Пассек В.В., Переселенков Г.С., Позин В.А., Вербух Н.Ф. Особенности конструкций земляного полотна, малых искусственных сооружений и мостов в климатических и мерзлотно-грунтовых условиях Центральной Якутии. Сборник «Строительство железных и автомобильных дорог в районах вечной мерзлоты», труды ОАО ЦНИИС, вып. 242, стр. 44-50). Устройство (рис. 1 Приложения) представляет собой вертикальную стенку, сооруженную из габионов. В регионах, где отсутствует сильный снегоперенос, вертикальная поверхность оголена от снега. Поэтому в зимний период конструкции через вертикальную поверхность поступает холод, а в летний период тепло. Но поскольку среднегодовая температура отрицательная, происходит постепенное замораживание массива. Достоинством данного устройства является простота. Недостатка два. Во-первых, происходит отток запасов холода, накопленных зимой, в летний период. Во-вторых, в связи с оттаиванием в летний период части массива со стороны вертикальной поверхности требуется сооружать достаточно дорогостоящую стенку, которая удерживала бы массив от разрушения.
Известно устройство для замораживания боковых участков строительных сооружений, содержащее пустотелую емкость с единой по высоте замкнутой с обоих торцов полостью, при этом пустотелая емкость по длине содержит две части: расположенный сверху теплообменник и примыкающий к нему снизу испаритель, причем теплообменник граничит с наружным воздухом, а испаритель расположен в грунте (Пассек В.В., Баев М.А., Набоков А.В., Палавошев И.Н., Бабух А.П., Бай В.Ф. Сочетание применения термоопор и теплоизоляции при возведении зданий на вечной мерзлоте. Научно-технический журнал «Вестник ТюмГАСУ», 2015, №4, стр. 43-46).
Замораживание грунтов в зоне вертикальной поверхности осуществляется применением автоматических охлаждающих установок в сочетании с теплоизоляцией поверхности. Схема охлаждения представлена на рис. 2 Приложения (три варианта). В этой схеме охлаждение грунта производится только за счет охлаждающих установок. Вертикальная поверхность используется только для сохранения холода. В связи с тем, что грунт у вертикальной поверхности круглый год находится в мерзлом состоянии, устройство теплоизоляции не требует мощного крепления.
Достоинством данного технического решения является надежность системы охлаждения. Недостатком системы является то, что сама вертикальная поверхность исключается из охлаждения, что снижает общую эффективность.
Целью создания нового технического решения является повышение эффективности охлаждения.
Достижение цели осуществляется за счет совмещения в одном устройстве функций теплоизоляции в летний период и охлаждения в зимний период.
Для этого устройство для замораживания грунтов на боковых участках строительных сооружений содержит пустотелую емкость с единой по высоте замкнутой с обоих торцов полостью, при этом пустотелая емкость по длине содержит две части: расположенный сверху теплообменник и примыкающий к нему снизу испаритель, причем теплообменник граничит с наружным воздухом, а испаритель расположен в грунте. Теплообменник вплотную примыкает к вертикальной поверхности боковых участков, а полость в поперечном сечении разделена пополам сплошной перегородкой, расположенной параллельно вертикальной поверхности и имеющей разрывы в верхнем и нижнем концах полости, при этом площадь разрыва равна половине площади поперечного сечения полости, причем верхний разрыв снабжен задвижкой, обеспечивающей открытие или закрытие верхнего разрыва. Кроме того, перегородка на протяжении теплообменника может быть снабжена теплоизоляцией. Кроме того, устройство по длине вертикальной поверхности может быть выполнено в виде непрерывной стенки.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где
на фиг. 1 представлено устройство для замораживания грунтов на боковых участках строительных сооружений (сечение Б-Б на фиг. 2);
на фиг. 2 представлено устройство для замораживания грунтов на боковых участках строительных сооружений (разрез А-А на фиг. 1);
на фиг. 3 представлен теплообменник в зимний период в сечении Б-Б на фиг. 2;
на фиг. 4 представлен теплообменник в летний период в сечении Б-Б на фиг. 2.
Для дополнительного пояснения существа вопроса сформировано Приложение к описанию.
Существует значительное количество различных строительных сооружений на вечной мерзлоте, которые имеют боковые участки 1 с вертикальными поверхностями 2, которые необходимо или экономически целесообразно в процессе эксплуатации как в зимний, так и в летний периоды сохранить в мерзлом состоянии. Эти участки отсыпаны из грунта или сооружены из других материалов и расположены на массиве естественного грунта 3. Примером являются насыпные площадки в жилых массивах, плотины, льдогрунтовые ограждения, причалы, зоны подпорных стенок, устои мостов и т.п.
Предлагаемое устройство для замораживания грунтов на боковых участках строительных сооружений содержит пустотелую емкость 4 с единой по высоте замкнутой с обоих торцов полостью 5. Емкость по высоте содержит две части: расположенный сверху теплообменник 6 и примыкающий снизу испаритель 7. Теплообменник 6 вплотную примыкает к вертикальной поверхности 2. Испаритель 7 может быть расположен горизонтально, вертикально и наклонно.
Полость 5 в поперечном сечении разделена пополам сплошной перегородкой 8, которая в пределах теплообменника расположена параллельно вертикальной поверхности 2. Перегородка 8 на протяжении теплообменника 6 снабжена теплоизоляцией 9. Теплоизоляция 10 примыкает к боковым участкам 1 строительных сооружений и к боковым частям пустотелой емкости 4. В верхнем и нижнем концах перегородка 8 имеет разрывы соответственно 11 и 12. Площадь каждого разрыва равна половине площади поперечного сечения полости. Верхний разрыв снабжен задвижкой 13, обеспечивающей открытие или закрытие верхнего разрыва. На фиг. 1 показана открытая задвижка 13, закрытая - в положении 14.
Для пояснения существа внесены следующие обозначения:
- позиция 15 - направление конвективного теплообмена;
- позиция 16 - линия, по которой можно сделать стенку теплоизоляции 10;
- позиция 17 - полость, которая нагревается в теплый период года;
- позиция 18 - полость, в которой летом остается холодный воздух.
Устройство для замораживания грунтов на боковых участках строительных сооружений работает следующим образом. В начале холодного периода года открывается верхний разрыв 11 и задвижка приобретает положение 13.
зимн
lз
зимн
1з
2з
3з
пз
зимн
2
В связи с тем, что температура t наружного воздуха в холодный период становится отрицательной, внешняя стенка (т.е. стенка, контактирующая с наружным воздухом) пустотелой полости 4 начинает охлаждаться. Процесс охлаждения стенки может быть обеспечен тепловым потоком q (фиг. 3), формирующимся за счет градиента температур наружного воздуха (t) и стенки. Термическое сопротивление при этом , где α - коэффициент теплоотдачи с поверхности (ккал/(м⋅час⋅град)). По мере того как охлаждается стенка, начинает охлаждаться воздух полости 5, контактирующей со стенкой. Формируется тепловой поток q при термическом сопротивлении . Поскольку холодный воздух тяжелее теплого, он начинает перемещаться вниз по направлению 15. По мере его перемещения формируются тепловые потоки q за счет градиента температур вертикальной поверхности грунта t и воздуха в полости 5. Этот теплообмен имеет место как в пределах теплообменника, так и испарителя, . Таким образом, общие потери тепла (т.е. охлаждение грунта) в зимний период за время τ можно представить приближенно следующим образом:
В начале летнего периода перекрывается верхний разрыв, и задвижка приобретает положение 14. Этим исключается возможность конвекции воздуха в летний период и, следовательно, резко сокращается возможность для нагрева грунта 1. При перекрытом верхнем разрыве общие теплопоступления (фиг. 4) будут определяться формулой:
из
из
где δ и λ - соответственно толщина (м) и коэффициент теплопроводности (ккал/(м⋅час⋅град)) слоя теплоизоляции 9.
3з
6л
В формуле (2) на термическое сопротивление R введен коэффициент 1/3, а на аналогичное термическое сопротивление в летний период Rэтот коэффициент не вводится. Это объясняется тем, что в летний период теплообмена в подземной части установки нет и, следовательно, поверхность теплообмена примерно в три раза меньше (см. фиг. 3 и 4).
Для приближенного сопоставления зимнего и летнего теплообмена примем следующие численные значения параметров:
1з
1л
2з
3з
2л
3л
5л
6л
из
из
2
2
α=α=20 ккал/(м⋅час⋅град); α=α=α=α=α=α=5 ккал/(м⋅час⋅град); δ=0,1 м; λ=0,05 ккал/(м⋅час⋅град).
Тогда ;
зимн
летн
из
Другими словами, термическое сопротивление в зимний период почти на порядок меньше летнего, и, следовательно, в зимний период больше тепловой поток из грунта в наружный воздух. Кроме того, продолжительность зимнего периода τ больше продолжительности летнего периода τ. Поэтому мы имеем четко выраженный диод, т.е. в одном направлении (т.е. зимой) идет интенсивная теплопередача, а в другом (т.е. летом) теплопередача может быть сведена к нулю. Подбором соответствующего значения δ можно практически полностью исключить теплообмен в летний период.
Теплоизоляция 10 (фиг. 2) расположена между устройствами для охлаждения. Она снижает тепловые потоки как зимой, так и летом. Возможно расположение устройств на всю ширину поверхности 2.
Предлагаемое устройство для замораживания грунтов на боковых участках строительных сооружений имеет следующие существенные признаки.
Признак первый - пустотелая емкость с единой по высоте полостью. Основная сущность данного технического решения основана на конвективном теплопереносе. Без наличия единой по высоте полости невозможна конвекция.
Признак второй - полость замкнута с обоих торцов. Полость не должна соединяться с наружным воздухом, поскольку незамкнутая полость забивается в зимний период инеем и перестает работать.
Признак третий - наличие теплообменника. Это необходимо для обеспечения контакта полости с наружным воздухом через стенку теплообменника, что, в свою очередь, необходимо для охлаждения в зимний период воздуха внутри полости.
Признак четвертый - наличие испарителя, расположенного в грунте и примыкающего снизу к теплообменнику. Строго говоря, в данной конструкции теплообменника частично роль испарителя играет часть полости, примыкающая к вертикальной поверхности 2 грунта. Однако при такой схеме может оказаться недостаточно длины полости для образования в ней «тяги», т.е. формирования конвекции. При наличии части полости, расположенной в грунте, устанавливается разность температур по длине полости, что и создает «тягу». При этом испаритель 7 может быть расположен не только горизонтально, но и вертикально. По мере увеличения высоты насыпной части 1 размеры испарителя могут уменьшаться.
Признак пятый - теплообменник вплотную примыкает к вертикальной поверхности 2. Это необходимо, поскольку именно из этой части 18 полости происходит охлаждение вертикальной поверхности в зимнее время.
Признак шестой - сплошная перегородка 8 с разрывами на обоих концах, поскольку именно этот признак обеспечивает разделение нисходящих и восходящих потоков 15, что обеспечивает резкое увеличение эффективности теплопередачи.
Признак седьмой - задвижка, находящаяся в положении 13 зимой и в положении 14 летом. Если разрыв 11 оставить в летнее время не закрытым, то может сформироваться конвекция «растепляющая», при этом потоки воздуха будут перемещаться в направлении, противоположном направлению 15.
Все эти семь существенных признаков необходимы и достаточны для достижения поставленной цели - повышения эффективности охлаждения.
Кроме указанных выше семи существенных признаков может быть еще два, отмеченных в дополнительных пунктах формулы.
Признак восьмой - теплоизоляция 9. Как было отмечено выше, теплоизоляция может существенно повысить термическое сопротивление в летний период, что уменьшит величину растепления.
Признак девятый - возможность выполнить устройство в виде непрерывной стенки. В отличие от прототипа, где канал для восходящих потоков расположен коаксиально в центре поперечного сечения устройства, в предлагаемом техническом решении поперечное сечение делится пополам плоской перегородкой, а следовательно, поперечное сечение устройства удобнее выполнить прямоугольным или протяженным в одном из направлений.
Повышение эффективности охлаждения по сравнению с прототипом обеспечивается совмещением в одном устройстве активного и пассивного охлаждения: в зимний период работает активная система, а только в летний период вводится в работу дополнительное термическое сопротивление (в прототипе оно работает круглый год). Применение теплоизоляции 9 дополнительно существенно увеличивает термическое сопротивление и тоже только летом.