КРИОТЕРМОСТАТ
CRYOTHERMOSTAT

Изобретение относится к устройствам, создающим термостатируемые условия для испытания мерзлых и оттаивающих грунтов и других материалов, и может быть использовано при проектно-изыскательских и строительных работах в области распространения сезонно- и многолетнемерзлых грунтов и в других областях.
Известен охлаждающий циркуляционный термостат [1]. В нем решена проблема точной стабилизации температуры (±0,1 градуса и выше) путем электрического подогрева охлаждаемой компрессором жидкой среды - антифриза. Однако указанный тип термостатов (жидкостный) способен термостатировать принципиально лишь небольшие объемы, порядка 12-15 литров. В такой небольшой объем не поместится ни один современный прибор для определения механических свойств мерзлых грунтов в силу своих габаритов. Следовательно, необходимо новое техническое решение.
Ближайшим техническим решением (прототипом) к изобретению является камера морозильная (воздушная) для задания и поддержания отрицательной температуры [2]. Такая камера выпускается различных размеров, поэтому в ней может разместиться нужное количество испытательных приборов. Однако серийная морозильная камера имеет ряд недостатков, из-за которых она не отвечает основным требованиям к рассматриваемым устройствам и, поэтому, нуждается в существенной модернизации.
К первому недостатку следует отнести ненадежность стабилизации температуры. Из-за периодического включения-выключения холодильного агрегата колебания отрицательной температуры в морозильной камере достигают 2-3-х и более градусов. Это недопустимо при испытании мерзлых грунтов. Так, согласно пункта 4.12 нормативного документа [3] точность поддержания температуры в морозильной камере при определении строительных свойств мерзлых грунтов должна составлять: ±0,1 и ±0,2 град соответственно в диапазонах температуры испытаний 0÷-1°С и -2÷-5°С. Такую точность температурного режима агрегат компрессорного типа, применяемый в вышеупомянутых устройствах, обеспечить не может.
Вторым недостатком известной морозильной камеры является ее малая эффективность. В ней отсутствует возможность снятия мерзлых образцов грунта, испытания которых завершились, и установки на освободившиеся места новых образцов, без существенного нарушения температурного режима камеры.
Третьим недостатком прототипа, также относящимся к ее малой эффективности, является то, что испытательные приборы размещаются только на одном уровне, при котором значительная часть объема камеры не используется.
Четвертый недостаток - это малые функциональные возможности камеры из-за того, что в ней одновременно можно задать лишь одну температуру испытания.
Цель изобретения - повышение точности и надежности стабилизации температуры при испытании мерзлых грунтов в морозильной камере, эффективности ее работы и расширение функциональных возможностей.
Цель достигается тем, что во внутреннем объеме морозильной камеры (далее криотермостата), как вариант, с обеих сторон на стеллажах, с проходом посередине, размещаются специальные термостаты локальные воздушного типа. Функциональная задача термостатов локальных состоит в подогреве и поддержании заданной температуры воздуха для находящихся в каждом из них объектов термостатирования, то есть приборов с испытуемыми образцами мерзлых грунтов. В этом случае сам криотермостат используется как средство для общего охлаждения воздуха снаружи термостатов (рис. 1).
3
3
Например, на каждой из боковых сторон криотермостата можно установить по два стеллажа размерами: В⋅Ш⋅Г - 2,0⋅1,0⋅0,5 м, что вместе составит стеллаж: 2,0⋅2,0⋅0,5 м с четырьмя полками. Из четырех полок получается три автономных термостата, а с учетом термостатов второй стороны криотермостата всего шесть термостатов (рис. 1, п. 3).
3
Внутри каждого стеллажа размером: В⋅Ш⋅Г - 0,5⋅2,0⋅0,5 м, пространство между двумя соседними полками (верхней и нижней) оборудовано под автономные термостаты, температуру в которых можно устанавливать как одинаковую, так и отличную от других термостатов в пределах не ниже температуры, установленной в криотермостате.
Конструкция криотермостата и принцип его работы следующие.
Криотермостат состоит из камеры морозильной стандартной (1, 2), комплекта термостатов локальных (3) на стеллажах (4) (рис. 1).
Камера морозильная состоит из корпуса (1) и холодильного моноблока с системой управления (2). Входная дверь установлена в передней панели, место размещения которой показано на рис. 1 (Д).
Термостаты локальные (3) смонтированы на стеллажах (4), в которых имеются внутренние дверцы (5) для технического обслуживания объекта термостатирования и наружные дверцы (6) для установки и снятия испытуемых образцов из приборов (7). В качестве позиции (6) целесообразно применят стандартные оконные стеклопакеты. Полки стеллажей теплоизолированы друг от друга и от общего объема криотермостата.
Каждый термостат воздушный локальный (ТВЛ. 1) имеет конструкцию, принципиальная схема которой приведена на рис. 2.
Термостат локальный состоит из корпуса (8), вентилятора циркуляционного (9), воздуховода (10), заслонки (11) с отверстием (17), электронагревателя (12), вентилятора охлаждающего (13, 14), термодатчиков (15, 16) и прибора ИТР (измеритель температуры регулирующий) (не показан).
Для обеспечения точного термостатирования принципиально важным является компоновка составных элементов термостата. Нужный результат достигается тем, что к циркуляционному вентилятору, расположенному в верхней части термостата, подведен воздуховод, длина которого соответствует ширине термостата и половине торцевой стенки. Заслонка (11) отделяет в термостате сектор подготовки воздуха заданной температуры. В этом секторе под вентилятором расположен электронагреватель и ниже вентилятор охлаждающий, врезанный в боковую стенку термостата. Заслонка в верхней части, по бокам и снизу примыкает к корпусу термостата. Датчик температуры (15) расположен на выходе потока воздуха из воздуховода, а в месте размещения объекта термостатирования установлен датчик (16). В средней части заслонки имеется отверстие (17) для пропуска потока воздуха.
Работу термостата рассмотрим на примере компрессионного испытания мерзлого грунта по стандарту [4], позиция 6.4.
Перед включением криотермостата в термостатах локальных (рис. 1, п. 3) заранее должны стоять автоматизированные компрессионные приборы (7) для испытания образцов мерзлого грунта. Испытуемые образцы в этот период пока находятся на хранении в отдельном морозильном шкафу при температуре примерно на 5 градусов ниже температуры испытания.
На пульте управления камерой задается температура примерно на 5 градусов ниже температуры испытания образцов мерзлого грунта. В термостатах включен температурный режим, аналогичный режиму в криотермостате. Это делается для того, чтобы при установке образцов на испытание в них был некоторый запас холода, который гарантировал бы их от растепления.
Далее криотермостат запускается, и после несколько часов работы температура в объемах криотермостата и термостатов локальных выравнивается. Криотермостат и термостаты локальные начинают работать в периодическом режиме включения-выключения.
Испытуемые образцы, выстоянные в компрессионных одометрах в отдельном морозильном шкафу, доставляются в термосумках к криотермостату и без задержки поочередно через дверцы наружные (рис. 1, п. 6) устанавливаются в компрессионные приборы.
Далее на приборе ИТР устанавливается рабочая температура испытания образцов мерзлых грунтов и включается система термостабилизации каждого термостата. В начальный период температура в термостате ниже рабочей и соответствует температуре криотермостата. В результате запуска рабочего температурного режима, автономно в каждом термостате, включаются нагревательные элементы (рис. 2, п. 12) при работающем циркуляционном вентиляторе (9). Температура повышается и, достигнув заданного значения, стабилизируется. При перегреве автоматически включается охлаждающий вентилятор (13). При этом перегретый воздух из термостата поступает через щель (14) в криотермостат.
Далее нагреватель работает в режиме включение-выключение в условиях нулевого гистерезиса, поддерживая точность температуры испытания в термостате на уровне ±0,1 град.
Таким образом, криотермостат готов к проведению испытания образцов мерзлых грунтов. Точность поддержания температуры испытаний в воздушной среде внутри термостата локального, как показало использование криотермостата, составляет не хуже ±0,1 град и меняется в пределах 0,05 градуса в испытуемых образцах.
Предложенная конструкция криотермостата позволяет: во-первых, повысить точность и надежность стабилизации температуры в ней до ±0,1 град; во-вторых, многократно увеличить эффективность использования ее пространства благодаря применению стеллажей и смены испытуемых образцов без остановки камеры; в-третьих, расширить функциональные возможности камеры путем автономной стабилизации температуры на различных полках термостата локального.
Источники информации
1. Криостат КРИО-ВТ-0,1 производитель ООО ТЕРМЭКС г. Томск.
2. Камеры морозильные. Интернет, сайты фирм ПОЛАИР, АЗНХ-М, и др.
3. ГОСТ 30416-96 Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения.
4. ГОСТ 12248-2010 Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости.