ГРАВИТАЦИОННАЯ ТЕПЛОВАЯ ТРУБА

Заявленное техническое решение относится к тепловым гравитационным трубам (ТГТ), применяемым для повышения несущей способности и устойчивости грунтов оснований фундаментов зданий и сооружений в районах распространения вечномерзлых грунтов. ТГТ с вставками-разделителями могут применяться для разных типов фундаментов, как при строительстве, так и при реконструкции и ремонте существующих зданий и сооружений промышленного и жилищно-гражданского назначения.
Известна ТГТ, содержащая корпус с зонами конденсации и испарения, между которыми размещена транспортная зона с вставкой, выполняющей функцию разделения потоков сконденсированного и жидкого хладагента (Патент РФ №2327940, МПК F28D 15/00, опубл. 27.06.2008). Недостатком данной тепловой трубы является то, что монтаж вставки в трубе производится с внутренней ее поверхности, что представляет большую технологическую сложность и не обеспечивает надежную герметичность соединения. Следствием отсутствия герметичности соединения является перетекание сконденсированного хладагента по стенкам корпуса, приводящее к нарушению нормального функционирования трубы. Кроме того, при наклоне корпуса трубы от вертикали на угол, превышающий 5 градусов, из кармана вставки жидкий хладагент неконтролируемым образом переливается в зону испарения, нарушая нормальную работу трубы.
Задачей предлагаемого технического решения является упрощение процесса сборки ТГТ при установке вставки и одновременное обеспечение гарантированного разделения потоков парообразного и жидкого хладагентов.
Техническим результатом является высокая технологичность сборки трубы, сокращение времени сборки и обеспечение нормального функционирования трубы при наклоне корпуса трубы на угол до 40 градусов.
Поставленные техническая задача и результат достигаются тем, что в гравитационной тепловой трубе, содержащей корпус с зонами конденсации и испарения, между которыми размещена транспортная зона с вставкой, выполняющей функцию разделения потоков жидкой и газовой фаз хладагента, наружный диаметр центральной части вставки больше внутреннего диаметра труб транспортной зоны и зоны конденсации, верхняя часть вставки, обращенная к зоне конденсации, снабжена не менее, чем двумя пустотелыми патрубками, предназначенными для прохода паров хладагента в зону конденсации. Одна из стенок названных патрубков имеет форму кольцевого отрезка с внешним диаметром меньшим внутреннего диаметра трубы зоны конденсации, полость патрубков открывается внутрь цилиндрической полости в нижней части вставки, между патрубками выполнен канал, сообщающийся с отверстием центральной трубчатой секции вставки, предназначенной для прохода жидкого хладагента в испарительную зону тепловой трубы.
По обе стороны от центральной части вставки выполнены центровочные цилиндрические поверхности, сопрягающиеся с внутренними поверхностями труб транспортной зоны и зоны конденсации.
Вставка может быть выполнена в виде неразъемной конструкции. Герметичное соединение вставки с трубами зоны конденсации и транспортной может осуществляться посредством сварки или разъемного соединения, например с помощью резьбового или фланцевого соединения. Отношение площадей проходных отверстий патрубков вставки к площади рабочего поперечного сечения трубы зоны конденсации составляет не менее 0,4, а отношение высоты патрубков вставки к внутреннему диаметру трубы зоны конденсации не менее 0,34, что обеспечивает нормальное функционирование тепловой трубы при наклоне до 40 градусов.
К трубчатой секции вставки может присоединяться трубка, по которой жидкий хладагент поступает в зону испарения. Перед зоной испарения возможно размещение распределительного устройства, обеспечивающего передачу жидкого хладагента к стенкам трубы зоны испарения. Названное устройство может быть выполнено в виде центральной трубки, на которой размещены перфорированные пластины, имеющие форму диска с вырезами по периферии.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется схемами, представленными на фигурах.
Фиг. 1 - схема гравитационной тепловой трубы;
Фиг. 2 - изометрическое изображение вставки;
Фиг. 3 - сечение гравитационной трубы по А-А;
Фиг. 4 - поперечный разрез вставки;
Фиг. 5 - сечение гравитационной трубы по Б-Б;
Фиг. 6 - схема трубы, снабженной сепараторными пластинами в транспортной зоне;
Фиг. 7 - схема движения потоков хладагента при вертикальном положении трубы;
Фиг. 8 - схема движения потоков хладагента при наклонном положении трубы;
Фиг. 9 - график, иллюстрирующий изменение температуры грунта в зависимости от глубины скважины.
Предлагаемая тепловая труба (фиг. 1) имеет зону конденсации 1, предназначенную для отвода тепла Q подведенного в зоне испарения 2. Зоны 1 и 2 связаны посредством транспортной зоны 3, Между зоной конденсации 1 и транспортной зоной 2 размещена вставка 4 (фиг. 2). Названная вставка имеет центральную цилиндрическую поверхность 5, диаметр которой больше внутреннего диаметра труб зоны конденсации и транспортной зоны. По обе стороны от центральной поверхности 5 вставки 4 расположены цилиндрические центрующие поверхности 6, которые сопрягаются с внутренними поверхностями труб зоны конденсации и транспортной зоны. В верхней части вставки 4, обращенной в сторону зоны конденсации, выполнено не менее двух сквозных патрубков 7 (на фиг. 2 показано три патрубка). Наружный диаметр отрезков кольцевой поверхности 8 названных патрубков меньше внутреннего диаметра труб зоны конденсации. В результате этого между внутренней поверхностью трубы зоны конденсации и кольцевыми поверхностями 8 патрубков образуется кольцевой канал 9 для сбора жидкого хладагента, стекающего по стенкам трубы зоны конденсации (фиг. 3, на которой изображена вставка с двумя патрубками). Между патрубками выполнены радиальные каналы 10, которые открываются в сторону центрального отверстия 11 (фиг. 5) трубчатой секции 12 (фиг. 4), по которой жидкий конденсат выводится из вставки 4. В нижней части вставки 4, обращенной в сторону зоны конденсации 2, выполнена полость 13, которая сообщается с внутренними полостями 14 патрубков 7. Трубчатая секция 12 может быть снабжена сливной трубкой 15 (фиг. 6). Перед зоной испарения могут быть размещены сепараторы 16. Между внутренней стенкой трубы зоны конденсации и полостями между патрубками 7 вставками 4 образуется емкость 17, которая заполняется каплями 18 жидкого хладагента (фиг. 7). Вставка может соединяться с трубами, образующими зоны тепловой трубы, посредством сварки или такое соединение может быть разъемным, например винтовым или фланцевым. На фиг. 7 показано соединение вставки с названными трубами посредством сварочных швов 19. Вставка 4 может быть выполнена в виде неразъемной конструкции. Особенностью предлагаемой полезной модели по сравнению с прототипом является то, что труба может функционировать при больших углах наклона, вплоть до 40 градусов. Это обеспечивается тем, что при увеличении высоты патрубков 7 вставки 4 увеличивается объем полости 17. Отдельные капли жидкого хладагента 20, стекая по наклонной поверхности трубы зоны конденсации, собираются в виде одной большой капли 21, из которой жидкий хладагент в виде небольших капель поступает в трубчатую секцию 12 и далее в зону испарения (фиг. 8). Эффект нормального функционирования тепловой трубы при наклоне до 40 градусов достигается, когда соотношение площадей проходных отверстий патрубков вставки к площади поперечного сечения корпуса тепловой трубы не менее 0,4, а отношение высоты патрубков вставки к внутреннему диаметру корпуса трубы не менее 0,34.
Функционирование трубы заключается в переносе тепла с нижних замораживаемых слоев грунта вверх в зону конденсации, где оно рассеивается в окружающую среду. Вставка выполняет функцию разделителя потока парообразного хладагента, движущегося из зоны испарения, и потока жидкого хладагента, движущегося сверху вниз из зоны конденсации в зону испарения 9 (на фигурах поток жидкого хладагента показан зачерненными стрелками). Патрубки вставки обеспечивают в зоне конденсации направление потока парообразного хладагента вверх по центру зоны конденсации и движение жидкого хладагента по стенкам трубы зоны конденсации. Благодаря наличию трубчатой секции вставки направление потоков изменяется - жидкий хладагент в транспортной зоне начинает двигаться по центру трубчатой секции транспортной зоны, а парообразный хладагент по ее периферии. Длина зоны испарения предлагаемой тепловой трубы, снабженной вставкой, определяется длиной транспортной зоны. При этом исключается отбор тепла от грунта в интервале глубин залегания «теплой части» части сооружения, что позволяет обеспечить наиболее эффективное охлаждение грунтов в его основании. Наличие у вставки центрирующих поверхностей позволяет по сравнению с прототипом сократить трудоемкость сборки тепловой трубы. Кроме того, возможность установки трубы под углом до 40 градусов (при условии сохранения разделения потоков парообразного и жидкого хладагентов) позволяет значительно (до двух раз) сократить затраты на строительство в результате уменьшения числа труб необходимых для охлаждения объекта.
Примером сооружений, где применение тепловой трубы предлагаемой конструкции имеет наибольший эффект являются: подземные продуктопроводы, канализационно-насосные станции, здания с полами «по грунту» и тому подобные сооружения. На фиг. 9 показано распределение температур по глубине, которое достигается в результате применения тепловой трубы в соответствии с предлагаемой полезной моделью.
Приведенные на фиг. 9 кривые характеризуют распределение температур по длине части ТГТ, погруженной в грунт. Кривая с маркером 08.05.n характеризует исходное температурное состояние грунта, а кривая с маркером 08.05.n+1 характеризует температурное состояние грунта по истечению одного цикла промораживания (12 месяцев). Сравнительный анализ кривых показывает, что конструкция ТГТ обеспечивает отбор тепла только в заданном интервале глубин, исключая транспортный участок, что обеспечивает ее энергетическую эффективность.