Способ охлаждения грунта и тепловая свая для его охлаждения

Изобретение относится к строительным теплотехническим сооружениям и может быть использовано в качестве опор различных сооружений на вечной мерзлоте. Способ охлаждения грунта включает конденсацию пара рабочей жидкости в конденсаторной полости путем охлаждения ее окружающей средой над поверхностью грунта, транспортировку сконденсированной жидкости под действием силы тяжести по транспортировочной магистрали в испарительную полость с последующим ее испарением в ней и обратной транспортировкой пара в конденсаторную полость. Новым в способе является то, что конденсацию пара рабочей жидкости осуществляют в объеме, большем объема, в котором осуществляют испарение рабочей жидкости. Т-образная тепловая свая для охлаждения грунта содержит вертикальный железобетонный ствол с горизонтальной опорой, расположенной над поверхностью грунта, как и конденсатор тепловой трубы, выполненной из труб и транспортная зона которой выполнена внутри вертикального железобетонного ствола и соединена вдоль продольной своей оси с испарителем тепловой трубы, выполненным с оребрением. Новым является то, что конденсатор тепловой трубы выполнен в виде симметрично изогнутой трубы с уклонами к центральной его части и с диаметром, большим чем диаметр трубы, из которой выполнена транспортная зона тепловой трубы, подключенная к центральной части конденсатора и которая при переходе в испаритель выполнена в качестве его внутренней стенки с образованием с выполненной его внешней стенкой кольцевой полости в плоскости поперечного его сечения и с объемом полости, меньше объема полости конденсатора, после указанного перехода труба транспортной зоны выполнена с герметичной заглушкой, перед которой выполнены боковые отверстия для соединения ее полости с полостью испарителя. Технический результат изобретения состоит в повышении эффективности охлаждения грунта вокруг тепловой сваи. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к строительным теплотехническим сооружениям и может быть использовано в качестве опор различных сооружений на вечной мерзлоте.

Известна свая (Официальный бюллетень ИЗОБРЕТЕНИЯ №45, опубл. 7 декабря 1992, НПО “Поиск”, стр.61, патент №1779705, кл. Е 02 D 5/30; Е 02 D 5/48. приоритет 05.03.91), включающая сужающийся книзу ствол с наружными крестообразно расположенными продольными ребрами, которые выполнены таврового поперечного сечения и примыкают к стволу торцами стенок, а ствол - пирамидальным, при этом верхняя часть ствола выполнена в виде многогранного оголовка, грани которого образованы продолжениями полок ребер и граней ствола.

Данная свая позволяет увеличить на нее усиление, т.е. обладает повышенной несущей способностью.

Недостаток ее заключается в том, что она не может быть эффективно использована в условиях вечной мерзлоты, так как в зимнее время не обеспечивает интенсивный отвод тепла из углубленной части грунта на его поверхность и в окружающий воздух для замораживания и понижения его температуры в достаточно большом объеме для использования его в качестве жесткой опоры тяжелых сооружений при выполнении условия, исключающего оттаивание грунта за летний период. Оттаивание вечной мерзлоты в летнее время, в том числе за счет теплоты сооружения, обладающего большой массовой теплоемкостью и которое аккумулирует большое количество тепла в летнее время, а также и за счет внутреннего его тепловыделения, например при отоплении сооружения, приводит к его оседанию, наклонению или к разрушающим сооружение нагрузкам.

Известна свая (Официальный бюллетень изобретения №45, опубл. 7 декабря 1992, НПО “Поиска Москва, 1992, стр.61, патент №1779708, кл. Е 02 D 5/38, приоритет 20.02.91), включающая ствол с арматурным каркасом и защищенной оболочкой, выполненной в виде стакана, днище которого совмещено с подошвой ствола, причем стакан выполнен из бетона на основе саморасширяющегося цемента, который в пределах зоны сезонного промерзания и оттаивания грунта содержит пористый заполнитель с объемной массой, меньшей объемной массы растворной части.

Свая обладает повышенной морозостойкостью ствола в зоне сезонного промерзания и оттаивания грунта.

Недостаток ее заключается в том, что она не обеспечивает достаточной тепловой связи с окружающим ее грунтом и не может эффективно использоваться для его охлаждения, замораживания в зимнее время. Причиной этому является материал с низким теплопроводным свойством, из которого она выполнена.

В качестве прототипа выбрана тепловая свая (книга С. Чи. Тепловые трубы. Теория и практика. Перевод с английского В.Я.Сидорова. Москва. Машиностроение 1981, стр.38-40, 20-21), включающая ствол с внутренней или внешней тепловой трубой (ТТ). Тепловая свая предназначена для защиты вечной мерзлоты.

Недостатком прототипа является то, что в ТТ с известными фитилями (см. стр.20-21 указанной книги автора С. Чи) не обеспечивается возможность удерживать рабочую жидкость на внутренней вертикальной поверхности испарителя с равномерным ее распределением и испарением по всей высоте (около 10-15 м), так как существующего капиллярного давления в фитилях не достаточно для этого. Это приводит к скоплению и испарению жидкого теплоносителя лишь в нижней части испарителя, что уменьшает зону интенсивного охлаждения грунта по всей высоте испарителя и тем самым снижает эффективность работы тепловой сваи.

Другой недостаток прототипа заключается в ограниченной зоне охлаждения грунта вокруг испарителя ТТ в направлениях поперечных плоскостей ее сечения. Это связано с недостаточным габаритным размером диаметра испарителя ТТ, а также с ограниченными габаритными размерами ее конденсатора, а значит и ограниченной внутренней поверхностью для конденсации паров рабочей жидкости, что снижает эффективность работы ТТ.

Цель предложенного решения - повышение эффективности охлаждения грунта вокруг тепловой сваи.

Поставленная цель достигнута за счет того, что конденсацию пара рабочей жидкости осуществляют в объеме, большем объема, в котором осуществляют испарение рабочей жидкости, конденсатор тепловой трубы выполнен в виде симметрично изогнутой трубы с уклонами к центральной его части и с диаметром, большим чем диаметр трубы, из которой выполнена транспортная зона тепловой трубы, подключенная к центральной части конденсатора и которая при переходе в испаритель выполнена в качестве его внутренней стенки с образованием с выполненной его внешней стенкой кольцевой полости в плоскости поперечного его сечения и с объемом полости, меньше объема полости конденсатора, после указанного перехода труба транспортной зоны выполнена с герметичной заглушкой, перед которой выполнены боковые отверстия для соединения ее полости с полостью испарителя, оребрение испарителя выполнено на внутренней стороне наружной стенки испарителя в виде оболочек усеченных конусов, внутренние кромки которых расположены выше своих наружных кромок и образуют с внутренней стенкой испарителя кольцевые проходы, на внутренней стенке испарителя ниже ее отверстий выполнен козырек в виде оболочки усеченного конуса, внутренней своей кромкой соединенный с ней по периметру, а своей наружной кромкой образующий с наружной стенкой испарителя проходную щель, горизонтальная опора выполнена в виде металлической пластины, расположенной в вертикальной плоскости и соединенной с конденсатором в тепловом отношении по его боковым образующим.

Схема предложенного технического решения показана на чертеже.

Тепловая свая для охлаждения грунта содержит вертикальный железобетонный ствол 1 с горизонтальной опорой 2, расположенной над поверхностью грунта, как и конденсатор 3 тепловой трубы, выполненной из труб, и транспортная зона 4 которой выполнена внутри вертикального железобетонного ствола 1 и соединена вдоль продольной своей оси с испарителем 5 тепловой трубы, выполненным с оребрением 6. Конденсатор 3 тепловой трубы выполнен в виде симметрично изогнутой трубы с уклонами к центральной его части и с диаметром, большим чем диаметр трубы, из которой выполнена транспортная зона 4 тепловой трубы, подключенная к центральной части конденсатора 3 и которая при переходе в испаритель 5 выполнена в качестве его внутренней стенки 7 с образованием с выполненной его внешней стенкой 8 кольцевой полости испарителя 5 в плоскости его поперечного сечения и с объемом полости, меньшим объема полости конденсатора 3, после указанного перехода трубы транспортной зоны 4 в трубу внутренней стенки 7 она выполнена с герметичной заглушкой 9, перед которой на ней выполнены боковые отверстия 10 для соединения полости транспортной зоны 4 с полостью испарителя 5. Оребрение 6 испарителя 5 выполнено на внутренней стороне его наружной стенки 8 в виде оболочек усеченных конусов, внутренние кромки которых расположены выше своих наружных кромок и образуют с внутренней стенкой 7 испарителя 5 кольцевые проходы. На внутренней стенке 7 испарителя 5 ниже ее отверстий 10 выполнен козырек 11 в виде оболочки усеченного конуса, внутренней своей кромкой соединенный с внутренней стенкой 7 по ее периметру, а своей наружной кромкой образующий с наружной стенкой 8 испарителя 5 проходную щель. Горизонтальная опора 2 выполнена в виде металлической пластины, расположенной в вертикальной плоскости и соединенной с конденсатором 3 в тепловом отношении по его боковым образующим.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Тепловые сваи для охлаждения грунта устанавливаются в вечную мерзлоту в зимнее время путем просверливания в ней с помощью буровой установки колодцев. Затем сваи выставляют и закрепляют между собой, после чего в зазоры колодцев заливают воду, которая замерзает и жестко связывает всю конструкцию в вечной мерзлоте. Замерзанию залитой воды в зазоры колодцев в вечной мерзлоте способствует также работа ТТ, когда температура окружающего воздуха ниже температуры вечной мерзлоты. При этом начинается охлаждение грунта вокруг внешней стенки 8 испарителя 5 до температуры, практически равной температуре окружающего воздуха.

В зимнее время, когда температура окружающего воздуха в тундровой полосе Земли находится на уровне (например, минус 40°С) ниже, чем температура грунта, окружающего сваю, то грунт будет интенсивно охлаждаться практически до температуры окружающего воздуха. Рабочая жидкость, например аммиак, равномерно распределенная по высоте кольцевого испарителя 5 в его ребрах 6 у внутренней поверхности внешней стенки 8, испаряется за счет теплоподвода к внешней стенке 8 от окружающего ее грунта. Пар поднимается вверх, проходит через отверстия 10 и по транспортному участку 4 поступает в конденсатор 3, в котором он конденсируется под воздействием на него низких температур окружающей среды, и снова стекает в кольцевой испаритель 5.

Равномерное распределение аммиака по ребрам 6 вдоль внешней стенки 8 испарителя 5 обеспечивается козырьком 11, который направляет стекающий на него жидкий аммиак на внешнюю стенку 8 испарителя 5. Интенсивность испарения аммиака в испарителе 5 повышается за счет того, что полость конденсатора 3 выполнена больше, чем полость испарителя 5, так как при этом увеличивается объем и поверхность для образования конденсата, а также поверхность тепловой связи с окружающей средой вследствие того, что тепловая труба конденсатора выполнена с большим диаметром. Так как испаритель 5 выполнен с внешней стенкой 8, имеющей увеличенную поверхность взаимодействия с грунтом, то это увеличивает теплоподвод к испарителю от грунта и тем самым дополнительно повышается интенсивность охлаждения грунта тепловой трубой.

Кроме того, поверхность взаимодействия конденсатора 3 с окружающей средой дополнительно увеличена за счет металлической пластины, из которой выполнена горизонтальная опора 2 и которая связана в тепловом отношении с конденсатором 3, что также повышает интенсивность работы тепловой трубы, а значит и охлаждения грунта.

Количество заправки аммиака осуществляют такое, чтобы при максимальном теплоотводе к кольцевому испарителю 5 жидкость была во всех ребрах 6.

В летнее время тепловая труба не работает, так как пар не конденсируется в конденсаторе 3 из-за того, что его температура выше, чем температура кольцевого испарителя 5. При этом прекращается жидкостно-паровая циркуляция аммиака в тепловой трубе, и отвод тепла от испарителей 5 к конденсатору 3 прекращается, что обеспечивает сохранение вечной мерзлоты на глубине в качестве жесткой опоры для сваи в летнее время несмотря на то, что верхний слой грунта находится в оттаянном состоянии. Чем глубже установлены сваи и чем более интенсивно они охлаждают окружающий грунт вокруг своих испарителей 5 в зимнее время, тем прочнее и надежнее вечная мерзлота служит для них опорой в летнее время и для и для сооружения, которое установлено на них.

Для того чтобы снизить теплопритоки в летнее время от оттаявшего верхнего слоя грунта к замороженному грунту в глубине теплопроводностью по транспортной зоне 4, она выполнена внутри вертикального железобетонного ствола 1. Предполагается, что слой бетона, непосредственно прилегающий к трубе транспортной зоны 4, будет выполнятся из пенобетона, так как он имеет более низкий коэффициент теплопроводности по сравнению с бетоном.

Суть предложенного решения заключается в том, что конденсацию пара рабочей жидкости осуществляют в объеме, большем объема, в котором осуществляют испарение рабочей жидкости. Это позволило интенсифицировать конденсацию пара, а следовательно, и испарение, и тем самым повысить эффективность охлаждения грунта. Испаритель 5, выполненный кольцевым и с оребрением 6, дополнительно позволил повысить эффективность охлаждение грунта за счет увеличения поверхности непосредственного его соприкосновения с грунтом и за счет обеспечения испарения в нем по всей высоте.

Анализ известных технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии признаков, сходных с совокупностью признаков заявляемого объекта.

В настоящее время на предприятии изготовлен действующий образец ТТ для тепловой сваи и идет подготовка ее к испытаниям в условиях, приближенных к условиям эксплуатации.

1. Способ охлаждения грунта, включающий конденсацию пара рабочей жидкости в конденсаторной полости путем охлаждения ее окружающей средой над поверхностью грунта, транспортировку сконденсированной жидкости под действием силы тяжести по транспортировочной магистрали в испарительную полость с последующим ее испарением в ней и обратной транспортировкой пара в конденсаторную полость, отличающийся тем, что конденсацию пара рабочей жидкости осуществляют в объеме, большем объема, в котором осуществляют испарение рабочей жидкости.

2. Т-образная тепловая свая для охлаждения грунта, содержащая вертикальный железобетонный ствол с горизонтальной опорой, расположенной над поверхностью грунта, как и конденсатор тепловой трубы, выполненной из труб и транспортная зона которой выполнена внутри вертикального железобетонного ствола и соединена вдоль продольной своей оси с испарителем тепловой трубы, выполненным с оребрением, отличающаяся тем, что конденсатор тепловой трубы выполнен в виде симметрично изогнутой трубы с уклонами к центральной его части и с диаметром, большим, чем диаметр трубы, из которой выполнена транспортная зона тепловой трубы, подключенная к центральной части конденсатора и которая при переходе в испаритель выполнена в качестве его внутренней стенки с образованием с выполненной его внешней стенкой кольцевой полости в плоскости поперечного его сечения и с объемом полости, меньшем объема полости конденсатора, после указанного перехода труба транспортной зоны выполнена с герметичной заглушкой, перед которой выполнены боковые отверстия для соединения ее полости с полостью испарителя.

3. Тепловая свая для охлаждения грунта по п.2, отличающаяся тем, что оребрение испарителя выполнено на внутренней стороне наружной стенки испарителя в виде оболочек усеченных конусов, внутренние кромки которых расположены выше своих наружных кромок и образуют с внутренней стенкой испарителя кольцевые проходы, на внутренней стенке испарителя ниже ее отверстий выполнен козырек в виде оболочки усеченного конуса, внутренней своей кромкой соединенный с ней по периметру, а своей наружной кромкой образующий с наружной стенкой испарителя проходную щель.

4. Тепловая свая для охлаждения грунта по п.2, отличающаяся тем, что горизонтальная опора выполнена в виде металлической пластины, расположенной в вертикальной плоскости и соединенной с конденсатором в тепловом отношении по его боковым образующим.