Устройство для глубинного замораживания грунта

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано при создании противофильтрационных мерзлотных завес высотой до 100 метров и более. Устройство для глубинного замораживания грунта, характеризующееся тем, чтооно включает размещенную в буровой скважине замораживающую колонку, наружный теплообменник, отдающий тепло жидкого хдадоносителя источнику холода, насос для циркуляции хладоносителя, при этом замораживающая колонка представляет собой две коаксиально расположенные трубы, наружная из которых, замораживающая, выполнена из металла, а внутренняя - питательная - выполнена из материала с малой теплопроводностью, по меньшей мере, на участке длины, примыкающей к устью скважины, или содержит в поперечном сечении слой из материала с малой теплопроводностью, при этом между наружной и внутренней трубами образован кольцевой канал для циркуляции жидкого хладоносителя, а верхний участок буровой скважины и участок наружной трубы, примыкающий к устью скважины, имеют на этом участке наибольший диаметр, между стенкой наружной трубы и стенкой скважины образован зазор, в котором размещен материал заполнения в виде частиц высокой теплопроводности в количестве, соответствующем заданной концентрации по длине канала, при этом концентрация частиц на верхнем участке, примыкающем к устью скважины, максимальна.Техническим результатом является повышение эффективности работы устройства за счет повышения производительности единицы жидкого хладоносителя по выносу тепла из грунта, отнесенной как в целом к высокой замораживающей колонке, так и к отдельным ее участкам, причем с заранее заданным, обычно равномерным, распределением количества выносимого тепла по участкам. 7 з.п.ф-лы, 1 табл., 5 ил.

 

Изобретение относится к области строительства, преимущественно гидротехнического, и может быть использовано при создании противофильтрационных мерзлотных завес высотой до 100 метров и более.

Известно устройство для замораживания грунта, характеризующееся тем, что оно имеет замораживающую колонку, размещенную в буровой скважине, наружный теплообменник, отдающий тепло жидкого хладоносителя (то же: теплоноситель, хладоагент) источнику холода и приспособление для принудительной циркуляции в устройстве жидкого хладоносителя, при этом замораживающая колонка представляет собой две коаксиально расположенные трубы, выполненные из металла [1].

При работе такого устройства в силу высокой теплопроводности материала, например сплава в виде стали, внутренней (питательной) трубы происходит интенсивный теплообмен между жидким хладоносителем, опускающимся по внутренней трубе и подымающимся по кольцевому каналу, образованному внутренней трубой и наружной (замораживающей). Это снижает эффективность работы устройства за счет низкой производительности единицы жидкого хладоносителя по выносу им тепла из грунта, отнесенной как в целом к замораживающей колонке за цикл "вход-выход", так и к отдельным ее участкам. Так описанное в источнике [2] такое устройство, замораживающая вертикальная колонка которого имеет высоту 100 метров, характеризуется как низкой производительностью (по данным авторов, температура керосина в замораживающей колонке от входа в колонку до выхода из нее повышается менее чем на два градуса), так и тем, что "на больших глубинах (60-90 м) эффективность работы по охлаждению грунта вокруг СОУ снижается в 2-2,5 раза в сравнении с результатами, полученными для вышерасположенного участка" (там же).

Известно устройство, в котором внутренняя труба замораживающей колонки выполнена пластмассовой, а хладоносителем является воздух [3]. В таком устройстве в хладоносителе многократно уменьшается теплообмен через стенку внутренней трубы, что повышает производительность замораживающей колонки. Однако одновременно с этим вдоль замораживающей колонки увеличивается неравномерность охлаждения грунта, которая при длине колонки 30-40 метров достигает недопустимого значения.

Известно устройство, в котором в зазоре между наружной трубой замораживающей колонки и стенкой буровой скважины размещен материал заполнения, содержащий частицы металла [4]. В таком устройстве увеличивается теплообмен между наружной трубой и грунтом, что увеличивает вынос тепла из грунта, а следовательно, и возрастает величина повышения температуры хладоносителя от входа в замораживающую колонку до выхода из нее. Однако одновременно последнее увеличивает теплообмен через стенку металлической внутренней трубы. В результате этого приобретенная за счет повышенной теплопроводности материала заполнения производительность замораживающей колонки частично утрачивается, это сужает область применения такой замораживающей колонки. Дополнительно увеличение теплопроводности материала заполнения только за счет частиц металла связано с высокими затратами.

Таким образом, существенно увеличить высоту замораживающей колонки без снижения эффективности ее работы за счет изменения теплотехнических параметров только ее внутренней трубы или только материала заполнения зазора, особенно посредством введения в него только металлических частиц, не представляется возможным.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности работы устройства для глубинного замораживания грунта за счет повышения производительности единицы жидкого хладоносителя по выносу им тепла из грунта, отнесенной как в целом к высокой (сверхвысокой) замораживающей колонке, так и к отдельным ее участкам, причем с заранее заданным, обычно равномерным распределением количества выносимого тепла по участкам.

Согласно настоящему изобретению предложено устройство для глубинного замораживания грунта, содержащее замораживающую колонку, размещенную в имеющем вид скважины канале, наружный теплообменник, отдающий тепло жидкого хладоносителя источнику холода, и приспособление для принудительной циркуляции в устройстве жидкого хладоносителя. Замораживающая колонка представляет собой две коаксиально расположенные трубы, наружная из которых выполнена из металла, а внутренняя по меньшей мере на участке длины, примыкающем к устью канала, выполнена из материала с малой теплопроводностью или содержит в своем поперечном сечении слой из такого материала. В зазоре между наружной трубой и стенкой канала размещен материал заполнения, содержащий частицы материала высокой теплопроводности, преимущественно частицы металла и/или углерода технического (сажа) и/или графита, причем в количестве, соответствующем заданной по длине канала концентрации, а величина коэффициента теплопередачи стенки внутренней трубы К_ст удовлетворяет соотношению

К_ст<100 Вт/(м²·К)

Дополнительно, на участке канала, примыкающего к его устью, материал заполнения имеет наибольшую концентрацию частиц материала высокой теплопроводности, а наружная труба замораживающей колонки и буровая скважина имеют каждая наибольший диаметр. Внутренняя труба выполнена из полимерного материала или выполнена из металла и покрыта теплоизоляционным слоем из полимерного, преимущественно пористого, материала или из сухого дерева или из сухих одревесневших стволов бамбука.

Сущность технического решения заключается прежде всего в том, что ранее указанный технический результат достигается за счет наличия у устройства одновременно двух признаков, а именно: стенка внутренней трубы замораживающей колонки имеет ограниченную величину коэффициента теплопередачи, а материал заполнения зазора, прежде всего на примыкающем к устью канала участке, - высокий коэффициент теплопроводности в сравнении с замораживаемым грунтом.

На фиг.1 изображена замораживающая колонка устройства в грунте; на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1; на фиг.3 - участок внутренней трубы замораживающей колонки с одетыми на нее теплоизоляционными трубками; на фиг.4 - принципиальная схема расположения оборудования, обеспечивающего охлаждение и циркуляцию жидкого хладоносителя в замораживающей колонке; на фиг.5 - изображены замораживающие колонки устройства, нижние половины которых размещены в грунте основания плотины, а верхние - в грунте центральной части ее тела.

Устройство для глубинного замораживания грунта 1 включает замораживающую колонку 2, размещенную в буровой скважине (канале) 3, наружный теплообменник 4 (фиг.4), отдающий тепло жидкого хладоносителя 5 источнику холода (атмосфера, холодильная установка), и приспособление в виде насоса 6 для принудительной циркуляции в устройстве жидкого хладоносителя 5. Замораживающая колонка 2 представляет собой две коаксиально расположенные трубы: наружная (замораживающая) 7 и внутренняя (питательная) 8. Эти трубы образуют между собой кольцевой канал 9 для циркуляции жидкого хладоносителя 5. В зазоре 10 между наружной трубой 7 и стенкой 11 буровой скважины 3 размещен материал заполнения 12.

Трубы, наружная 7 и внутренняя 8, выполнены из металла (сталь), при этом внутренняя труба 8 в пределах большей половины своей длины, примыкающей к устью 13 буровой скважины 3, покрыта теплоизоляционным слоем 14, обеспечивающим величину коэффициента теплопередачи стенки внутренней трубы 8 К_ст менее 100 Вт/(м²·К). Теплоизоляционный слой 14 в пределах верхнего участка h_в внутренней трубы 8 выполнен из длинномерных деревянных элементов 15 (фиг.2), стянутых хомутами 16 (фиг.1), отгибы которых центрируют внутреннюю трубу 8 в полости наружной трубы 7. Материал заполнения 12, размещенный в зазоре 10, содержит частицы металла и/или углерода технического (сажа) и/или графита в количестве, соответствующем заданной по длине буровой скважины концентрации, необходимой для придания материалу заполнения 12 проектной теплопроводности.

На верхнем участке h_в буровой скважины 3, примыкающем к ее устью 13, материал заполнения 12 имеет наибольшую концентрацию частиц высокой теплопроводности, наружная труба 7 и буровая скважина 3 имеют каждая наибольший диаметр, а теплоизоляционный слой 14 - наибольшую толщину.

Внутренняя труба 8 может быть выполнена из полимерного материала, например армированного полипропилена, стойкого по отношению к керосину, чаще всего используемого в качестве хладоносителя, а в случае металлической внутренней трубы 8 ее теплоизоляционный слой 14 может быть выполнен из такого же полимерного материала, преимущественно пористого.

Теплоизоляционный слой 14 обычно имеет вид теплоизоляционных трубок 17 (фиг.3), одетых на внутреннюю трубу 8, выполненных из теплоизоляционного материала и удерживающихся опорными хомутами 18. Трубки 17 могут быть выполнены так же, например, из одревесневших стволов бамбука, которые из условия обработки их внутренней полости имеют обычно длину l_т около одного метра.

Принудительная циркуляция хладоносителя в замораживающей колонке 2 осуществляется оборудованием, чаще всего работающим на группу замораживающих колонок 2, например, при создании противофильтрационной ледогрунтовой стенки при гидротехническом строительстве. Это оборудование состоит из коллекторной трубы 19 (фиг.4), наружного теплообменника 4, сливного бака 20, насоса 6, расходомера 21, распределительной трубы 22 и соединительных труб и рукавов 23 (фиг.1)

В таблице приведены справочные значения теплопроводности λ материалов стенки внутренней трубы и коэффициента теплопередачи К_ет стенки из таких материалов при толщине δ стенки 0,01 метра и без учета ее кривизны в поперечном сечении.

Материал	λ, Вт/(м·К)	δ, м	Кст, Вт/(м2·К)
Сталь	45,4	0,01	4540
Сосна	0,14	0,01	14
Фторопласты	0,06-0,23	0,01	6-23
Бамбук	0,105	0,01	10,5

Поскольку толщина 5 теплоизоляционного слоя 14 может измеряться несколькими миллиметрами, поэтому коэффициент теплопередачи стенки внутренней трубы К_ст=λ/5 целесообразно ограничить величиной 100 Вт/(м²·К). Это в 91 раз меньше коэффициента теплопередачи стенки стальной внутренний трубы при ее толщине 5 миллиметров.

При подаче керосина в замораживающую колонку 2 происходит заполнение керосином пор деревянных теплоизоляционных элементов 15 и трубок 17, а также неплотностей между ними и стеной внутренней трубы 8. Но поскольку теплопроводность керосина около 0,13 Вт/(м·К), что существенно ниже теплопроводности воды и ее растворов [5], это не ухудшает теплоизоляционные свойства деревянных элементов теплоизоляции. Напротив, в случае сухих деревянных элементов их теплоизоляционные свойства в сравнении с сырыми содержащими древесный сок улучшаются.

Материал заполнения 12 состоит из грунта и порошка, содержащего металлы, например, в виде хвостов обогащения, углерода технического (сажа) или преимущественно некондиционного графита, теплопроводность которых аномально высокая.

При принудительном движении жидкого хладоносителя 5, охлажденного в зимнее время в наружном теплообменнике 4, по внутренней трубе 8 вниз на теплоизолированных ее участках верхнем h_в и среднем h_ср через ее стенку не происходит значительного теплообмена. На ее же нижнем участке h_н, длина которого обычно не превышает 15-20 метров, из-за малого перепада температуры на стенке теплообмен невелик и является допустимым.

При движении жидкого хладоносителя 5 по кольцевому каналу 9 вверх вследствие повышенной теплопроводности материала заполнения 12 происходит интенсивное замораживание грунта при одновременном повышении температуры жидкого хладоносителя. Однако по мере приближении жидкого хладоносителя к устью 13 буровой скважины 3 в устройстве увеличиваются:

- концентрация частиц с высокой теплопроводностью в материале заполнения 12, что повышает теплопроводность последнего;

- диаметр наружной трубы, в результате чего увеличивается поперечное сечение кольцевого канала и, как следствие, - уменьшение скорости движения хладоносителя до 0,1 м/с;

- диаметр буровой скважины, в результате чего увеличивается поверхность охлаждения грунта.

Указанные увеличения, обоснованные расчетом и экспериментами, обеспечивают заданную равномерность замораживания грунта на всех участках замораживающей колонки при одновременном достижении перепада температуры в жидком хладоносителе от входа в замораживающую колонку до выхода из нее до 5-7 градусов и более. Это повышает эффективность работы устройства по равномерному замораживанию грунта на глубину до 100 метров и более.

На фиг.5 изображены замораживающие колонки 2 устройства для замораживания грунта, нижние половины которых размещены в грунте основания 24 плотины 25, а верхние - в грунте центральной части тела плотины. Выполнение таких замораживающих колонок 2 в процессе возведения плотины 25 осуществляют в следующей последовательности работ.

Первоначально, в случае наличия в основании 24 высокоскоростного фильтрационного потока, с бетонной плиты 26 путем нагнетания раствора в цементационные скважины 27 осуществляют укрепление грунта в границах 28. После чего на заданном расстоянии "а" друг от друга и в два ряда выполняют буровые скважины 3, в которых размещают наружные трубы 7, а зазоры 10 заполняют материалом 12.

Дальнейшее наращивание наружных труб 7 осуществляют одновременно с послойным возведением по высоте тела плотины 25. При этом вокруг каждой наружной трубы 7 посредством короткой переставной обсадной трубы 29 образуют имеющий вид скважины (скважинообразный) канал 30, а зазор 10 заполняют материалом 12 заданной теплопроводности - повышенной.

Обычно диаметр обсадной трубы d_об превышает диаметр буровой скважины d_ск, а концентрация частиц материала высокой теплопроводности в материале 12 по мере возведения по высоте плотины повышают.

После возведения плотины 25 на полную высоту с ее гребня 31 в наружную трубу 7 опускают внутреннюю трубу 8, снабженную по всей длине теплоизоляционным слоем (на фиг.5 теплоизоляционный слой не показан). Замораживающие колонки 2 заполняют жидким хладоносителем и их подсоединяют к оборудованию, обеспечивающему циркуляцию жидкого хладоносителя и его охлаждение.

Работа таких замораживающих колонок 2 аналогична ранее описанной, а именно: при движении по теплоизолированной внутренней трубе 8 вниз в жидком хладоносителе 5 сохраняется низкая первоначальная температура, а при его движении вверх, вследствие заданного повышения теплопроводности материала заполнения 12 и увеличенной поверхности охлаждения грунта, происходит интенсивное и равномерное замораживание грунтов основания 24 и плотины 25 вокруг замораживающих колонок 2. В результате этого происходит качественное образование сплошной противофильтрационной ледогрунтовой стенки в границах 32, как в основании 24, так и в плотине 25.

Источники информации

1. Хакимов Х.Р. Замораживание грунтов в строительных целях. - М.: Госстройиздат. - 1962. - С.122-127.

2. Панов С.И. и др. Исследование работоспособности сезонно действующих охлаждающих устройств на полигоне Вилюйской ГЭС-3 //Гидротехническое строительство. 2002. №12.

3. Придорогин В.М. Исследования противофильтрационных элементов земляных плотин мерзлого типа. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Л., 1974.

4. Авторское свидетельство СССР №1728365, Кл. Е 02 D 3/115, опубл. 1992.

5. Эберт Г. Краткий справочник по физике. - М.: Физматгиз. - 1963. - С.321, табл. 134.

1. Устройство для глубинного замораживания грунта, характеризующееся тем, чтооно включает размещенную в буровой скважине замораживающую колонку, наружный теплообменник, отдающий тепло жидкого хладоносителя источнику холода, насос для циркуляции хладоносителя, при этом замораживающая колонка представляет собой две коаксиально расположенные трубы, наружная из которых, замораживающая, выполнена из металла, а внутренняя, питательная, выполнена из материала с малой теплопроводностью, по меньшей мере, на участке длины, примыкающем к устью скважины, или содержит в поперечном сечении слой из материала с малой теплопроводностью, при этом между наружной и внутренней трубами образован кольцевой канал для циркуляции жидкого хладоносителя, а верхний участок буровой скважины и участок наружной трубы, примыкающий к устью скважины, имеют на этом участке наибольший диаметр, между стенкой наружной трубы и стенкой скважины образован канал, в котором размещен материал заполнения в виде частиц высокой теплопроводности в количестве, соответствующем заданной концентрации по длине канала, при этом концентрация частиц на верхнем участке, примыкающем к устью скважины, максимальна.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве материала заполнения используют частицы металла и/или углерода технического - сажи и/или графита.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренная труба выполнена из полимерного материала, например армированного полипропилена.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренная труба выполнена из металла и покрыта теплоизоляционным слоем, обеспечивающим величину коэффициента теплоотдачи стенки внутренней трубы К_ст < 100 Вт/(м² К).

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что теплоизоляционный слой выполнен из полимерного преимущественно пористого материала, например армированного полипропилена.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что теплоизоляционный слой выполнен из дерева и/или из одревесневших стволов бамбука.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что теплоизоляционный слой выполнен из сухих дерева и/или из одревесневших стволов бамбука.

8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что теплоизоляционный слой выполнен в виде теплоизоляционных трубок, удерживающихся на внутренней трубе опорными хомутами.