УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ МЁРЗЛОГО ГРУНТА

Полезная модель относится к области теплотехники, в частности к сезонно-действующим охлаждающим устройствам, известным как термостабилизаторы грунтов и может найти применение для сохранения мерзлого состояния грунтов для сооружений различного назначения, построенных по первому принципу строительства, который заключается в сохранении вечномерзлого состояния грунтов, а также для выполнения строительных работ на железных и автомобильных дорогах, или при строительстве зданий и сооружений, эксплуатируемых в условиях Крайнего Севера.
Известно устройство для температурной термостабилизации многолетнемерзлых грунтов, содержащее термостабилизатор на основе двухфазного термосифона, включающего надземную конденсаторную часть и подземные транспортную и испарительные части, размещенные в гильзе с хладагентом, представляющей собой полый цилиндрический корпус с дном и герметизирующим элементом на верхнем конце с отверстием для установки термостабилизатора, герметизирующий элемент представляет собой разъемное сальниковое уплотнение, которое состоит из опорного кольца, установленного на выполненную в гильзе круговую ступеньку, нажимного кольца и уплотнительных колец из терморасширенного графита, зажатых между ними (патент РФ №2556591, МПК: E02D 3/115, опубл. 10.07.2015 г.).
Известна термосвая для сооружений, возводимых на вечномерзлых грунтах, состоящая 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, в которой тепловая труба размещена внутри ствола, а зоны испарения и конденсации имеют тепловой контакт с трубчатым стволом через теплопроводящие элементы, зона транспортирования теплоизолирована от металлической трубы сваи, и теплопроводящие элементы выполнены в виде колец с центральным отверстием под тепловую трубу (патент ПМ №139080 МПК: E02D 3/115, опубл. 10.04.2014 г.).
Недостатком обоих аналогов является прекращение охлаждения грунта в летнее время, вызванное прекращением конденсации хладагента при положительных температурах атмосферного воздуха.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является подпорная стенка, преимущественно, для причальных сооружений на многолетнемерзлых грунтах, содержащая блок трубчатых шпунтовых свай, снабженных вертикальным сезонно-охлаждающим устройством, выполненным в виде воздушно-циркуляционной трубы, размещенной во внутренней полости шпунтовой сваи соосно или со смещением относительно оси трубчатой сваи. При этом воздушно-циркуляционная труба сообщена в верхней части с помощью перекрываемого отверстия, а нижняя часть трубы приближена вплотную к мерзлому грунту основания (патент РФ №2502845, МПК: Е02В 3/06, опубл. 27.12.2013 г.).
Недостатком данного устройства является то, что оно охлаждает грунт только в зимний период, когда температура воздуха на продолжительное время становится отрицательной, при которой обеспечивается естественная вентиляция грунта и который дополнительно охлаждается поступающим через открытый канал морозным воздухом. Летом же, при температурах воздуха, превышающих температуру мерзлого грунта, сообщение грунта с атмосферой прекращается установкой заглушки на патрубок воздушно-циркуляционной трубы.
Указанные недостатки устраняются в предлагаемом устройстве, предназначенном для термостабилизации мерзлого грунта в регионах страны, где летний период, характеризуется положительными, выше 0°C, среднесуточными температурами воздуха и большим числом солнечных дней в году.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является обеспечение мерзлого состояния грунтов в сооружениях, построенных по первому принципу строительства, в течение теплых периодов года.
Для достижения указанного технического результата в устройстве для термостабизилизации мерзлого грунта, содержащем блок трубчатых шпунтовых свай, снабженных сезонно-охлаждающим устройством, выполненным в виде циркуляционной трубы, размещенной во внутренней полости шпунтовой сваи соосно или со смещением относительно оси трубчатой шпунтовой сваи, дополнительно устроены две емкости - одна теплоизолированная с теплоаккумулирующим, а другая теплообменник с хладоаккумулирующим материалами, через которые пропущены трубы, образующие замкнутый контур для подачи жидкого хладоносителя на блок шпунтовых свай, заглубленных в мерзлый грунт, при этом емкости с теплоаккумулирующим и хладоаккумулирующим материалами соединены друг с другом охлаждающими элементами, выполненными по схеме абсорбционной холодильной машины, в которой зона испарения хладагента зафиксирована в емкости с теплоаккумулирующим материалом, а зона его абсорбции установлена в емкости с хладоаккумулирующим материалом.
Кроме того, заявляемое техническое решение имеет факультативный признак, характеризующий его частный случай, а именно:
- в теплоизолированной емкости с теплоаккумулирующим материалом расположен дополнительный нагреватель, установленный перед системой зеркал, отражающих на него солнечную радиацию, а емкость с хладоаккумулирующим материалом заглублена в мерзлый грунт.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3.
На фиг. 1 показана схема устройства для термостабилизации мерзлого грунта.
На фиг. 2 - схема трубчатой шпунтовой сваи.
Устройство для термостабизилизации мерзлого грунта содержит блок трубчатых шпунтовых свай 1, например винтовых, заглушенных в нижней своей части, и заглубленных в охлаждаемый мерзлый грунт 2. Охлаждение трубчатых шпунтовых свай 1 обеспечивается протеканием через них жидкого хладоносителя - маловязкой жидкости, например, керосина, имеющего отрицательную температуру. Подвод жидкого хладоносителя к трубчатым шпунтовым сваям 1 и отвод его от них осуществляется через разводку труб 3, образующую вместе с трубчатыми шпунтовыми сваями 1 замкнутый циркуляционный контур «а-b-c-d-e-g-h». На участке «а-b» контура трубы 3 проходят через теплоизолированную емкость 4, заполненную теплоаккумулирующим материалом, например, жидким церезином, имеющим температуру плавления превышающую +80°C.
2
На участке «d-е» контура труба 3 с жидким хладоносителем проходит через теплообменник 5 - емкость, заполненную хладоаккумулирующим материалом, например, эвтектическим водным раствором хлористого кальция (CaCl), который имеет отрицательную, ниже минус 50°C температуру замерзания.
Трубы 3 соединены с входным коллектором 6, на котором разветвляются на отдельные секции. Каждая из секций соединена с группой последовательно соединенных друг с другом охлаждаемых трубчатых шпунтовых свай 1.
Каждая из трубчатых шпунтовых свай 1 выполнена по схеме «труба в трубе», содержит наружную трубу 7 и внутреннюю трубу 8 меньшего диаметра, расположенную соосно или со смещением относительно наружной трубы 7.
Наружная труба 7 заглушена по верхнему и нижнему торцам и имеет входной патрубок 9 для подачи жидкого хладоносителя. Внутренняя труба 8 имеет выходной патрубок 10 для выхода жидкого хладоносителя. Соединение входного патрубка 9 и выходного патрубка 10 с трубами 3, сходящимися в выходном коллекторе 11 позволяет включить все трубчатые шпунтовые сваи 1 в схему контура циркуляции хладоносителя.
Лопасти 12 трубчатых шпунтовых свай 1, например, винтовых, обеспечивающие их заглубление в грунт 2 одновременно выполняют роль теплоотдающих ребер, улучшающих теплообмен сваи 1 с мерзлым грунтом 2.
Теплоизолированная емкость 4 с теплоаккумулирующим материалом- и теплообменник 5 с хладоаккумулирующим материалом имеют тепловое соединение друг с другом посредством блока охлаждающих элементов 13, позволяющих поддерживать отрицательную температуру хладоаккумулирующего материала.
Каждый из охлаждающих элементов 13 может быть выполнен по схеме абсорбционной или пароэжекторной холодильных машин, которые генерируют холод без движущихся механических элементов и работают автономно без привлечения обслуживающего персонала. Например, выполнение охлаждающего элемента 13 может быть выполнено по схеме известной бромисто-литиевой абсорбционной холодильной машины. (А.В. Бараненко, Н.Н. Бухарин, В.И. Пекарев, Л.С. Тимофеевский: Под общ. ред. Л.С. Тимофеевского. - Холодильные машины - СПб.; Политехника, 1997 г., С. 992).
Источником первичной энергии является теплота солнечной радиации, отражаемая системой зеркал 14 на теплоизолированную емкость 4, и поглощаемой теплоаккумулирующим материалом.
Вспомогательным, необходимым только для запуска процессов теплообмена, элементом в заявляемом устройстве является нагревательный элемент 15, получающий теплоту от источника 16, работающего, например, на твердом топливе.
2
Заявляемое устройство для термостабилизации мерзлого грунта предназначено для охлаждения грунта на площади не менее 2000-3000 м, что обеспечивается одновременным применением 300-500 трубчатых шпунтовых свай 1.
Принцип работы устройства сводится к следующему.
С наступлением весеннего времени производится первичный разогрев теплоаккумулирующего материала в теплоизолированной емкости 4 (зарядка теплового аккумулятора). Разогрев осуществляется с помощью нагревательного элемента 15 от источника 16, одновременно теплоаккумулирующий материал разогревается и дополнительным нагревателем, установленным перед системой солнечной радиации, отражаемой системой зеркал 14, направляющих излучение на теплоизолированную емкость 4, заполненную теплоаккумулирующим материалом.
После разогрева теплоаккумулирующего материала до достижения его фазового перехода в нагревателе нет необходимости, он служит только для запуска процессов теплообмена в заявляемом устройстве. Теплоемкость теплоаккумулирующего материала в емкости 4 должна быть достаточно большой, чтобы он находился в расплавленном состоянии, имея высокую температуру в течение трех-четырех дней на случай отсутствия солнечной радиации.
Пока теплоаккумулирующий материал в теплоизолированной емкости 4 находится при высокой температуре в расплавленном состоянии, все охлаждающие элементы 13 непрерывно генерируют холод, непрерывно поддерживая отрицательную температуру хладоаккумулирующего материала в теплообменнике 5. Одновременно в циркуляционном контуре «а-b-c-d-e-g-h» включающем и трубчатые шпунтовые сваи 1 возникает естественная конвекция жидкого хладоносителя.
Жидкий хладоноситель в трубах 3 после прохождения через теплообменник 5 с хладоаккумулирующим материалом, на участке «d-е» циркуляционного контура сам приобретает отрицательную температуру. Пройдя через входной коллектор 6, он распределяется через входные патрубки 9 по трубчатым шпунтовым сваям 1, непрерывно поддерживая их отрицательную температуру мерзлого грунта 2 посредством теплоотдачи по лопастям 12 от циркуляции жидкого хладоносителя в трубчатых шпунтовых сваях 1 по наружным и внутренним трубам 7, 8, и выходит через выходные патрубки 10.
После прохождения трубчатых шпунтовых свай 1 жидкий хладоноситель возвращается через выходной коллектор 11 к теплоизолированной емкости 4 с теплоаккумулирующим материалом, и цикл его движения самотеком по контуру «а-b-c-d-e-g-h» повторяется.
На участке «е-g-h» циркуляционного контура трубы 3 подачи жидкого хладоносителя заглублены в охлаждаемый мерзлый грунт 2, что вызывает его охлаждение по всей линии их пролегания.
Достигаемый положительный эффект сводится к круглогодичному поддержанию грунтов в вечномерзлом состоянии, при котором грунт обладает высокими прочностными характеристиками, что позволяет возводить на них различные инженерные объекты и сооружения и предотвращает образование таликов в основаниях гидротехнических и транспортных сооружениях.