Термосвая для опор моста
Владельцы патента RU 2470114:
Пахомов Дмитрий Николаевич (RU)
Казаков Вячеслав Платонович (RU)
Изобретение относится к устройствам для сезонного охлаждения и замораживания грунтов оснований зданий и сооружений в районах распространения вечномерзлых грунтов. Технический результат - повышение эффективности термосваи за счет увеличения интенсивности теплообмена в системе «грунт-атмосфера», продление времени сохранения грунта в твердомерзлом состоянии вокруг подземной части термосваи и снижение трудоемкости. Термосвая содержит герметичный надземный корпус - конденсатор, заполненный парами низкокипящей жидкости в насыщенном состоянии - теплоносителем и имеющая дополнительный контакт своего внутреннего пространства с атмосферой через сквозное воздухопроводное приспособление, подземную часть - испаритель в виде криволинейных трубопроводов, частично заполненных низкокипящем жидким теплоносителем, циркулирующим по восходящей и нисходящей ветвям, размещенных в «колодце холода», заполненный жидкостью, замерзающей ниже 0°C, и транспортный участок трубопроводов, соединяющий внутренние пространства надземной с подземной частей термосваи. Воздухопроводное приспособление выполнено в виде вертикальной трубы - продуха, длиной и диаметром, соизмеримыми с длиной и с диаметром корпуса, и достаточным для размещения во внутреннем пространстве корпуса патрубка верхнего конца ветви трубопровода с восходящим потоком теплоносителя, а «колодец холода» размещен в опорной свае моста и заполнен водным раствором соли, например NaCl, с концентрацией, обеспечивающей заданную температуру замерзания раствора и требуемую температуру поддержания грунта в твердомерзлом состоянии, на верхнем уровне раствора заполнения «колодца холода» размещен слой теплоизоляции с возможностью свободного перемещения во внутреннем пространстве «колодца холода» или его уплотнения при колебаниях уровня раствора. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области строительства, конкретно к устройствам для сезонного охлаждения и замораживания грунтов оснований зданий и сооружений в районах распространения вечномерзлых грунтов.
Известна термосвая для охлаждения и замораживания грунта, включающая надземную часть в виде камеры, которая служит конденсатором паров низкокипящей жидкости теплоносителя, например пропана, циркулирующего по системе трубопроводов устройства, подземную часть в виде криволинейных трубопроводов с восходящим потоком теплоносителя, частично заполненных жидкой фазой низкокипящего рабочего тела, транспортной части устройства в виде прямолинейных трубопроводов с нисходящим и восходящим потоками теплоносителя, причем верхняя часть ветви с восходящим потоком теплоносителя заведена во внутреннее пространство камеры (1).
Недостатком данного устройства является недостаточное развитие поверхности теплообмена конденсатора для его теплообмена с наружным воздухом из-за малой теплоемкости последнего, чтобы воспринять равнозначно отводимое от грунта количество тепла.
Наиболее близким по своим конструктивным особенностям является известное устройство термосваи, частично устраняющее этот недостаток, конденсатор которого выполнен в виде герметичного трубчатого корпуса со сквозным размещением в нем воздуховодных трубок, что позволяет увеличить площадь контакта воздуха с теплоносителем (2).
Недостатком указанного устройства является многодетальность и многодельность такой конструкции, не позволяющей в полной мере использовать внутреннее пространство корпуса. К существенным недостаткам следует отнести снижение интенсивности теплообмена в определенное время состояния погоды, когда при повышении температуры атмосферного воздуха (например, от минус 20°C до минус 10°C) внутренняя поверхность воздуховодных трубок, контактирующая с воздухом, покрывается изморосью - «шубой», которая превращается в лед, если этот процесс продолжается длительное время. Пока этот лед не исчезнет, теплообмен между поверхностью трубок и воздухом затруднен. Наиболее длительным процесс сохранения этого слоя происходит именно в подобных воздухоотводных трубках, так как вследствие малого диаметра возникает большое сопротивление выдуванию льда с поверхности. Горизонтальное расположение этих трубок способствует накоплению измороси в безветрие, как правило, вплоть до полной закупорки отверстий.
Кроме того, известна конструкция, позволяющая сохранять мерзлое состояние грунтов длительное время за счет устройства так называемого «колодца холода» (см., например, Гапеев С.И. «Укрепление мерзлых оснований охлаждением». - Л.: Стройиздат. Лен. отд. 1969, с.36).
Недостатком данной конструкции является использование низкотвердеющей жидкости, например керосина или ДТ, для заполнения «колодца холода», температура твердения-плавления которых имеет весьма низкие значения, не попадающие в диапазон действующих температур на Крайнем Севере (примерно, ниже минус 70°C). Это значит, что, охладив в «колодце холода» жидкость, допустим, до минус 20°C, она не сможет обеспечить требуемый запас «холода» в летний период года. Известно, что на таяние 1 кг льда требуется 80 ккал тепла, а на его нагрев на 1°C - всего 1 ккал. Поэтому на нагрев от минус 20°C до 0°C потребуется 20 ккал тепла. Далее, продолжая нагрев, допустим до +5°C, требуется еще 5 ккал. В то же время на таяние льда при 0°C потребуется потратить 80 ккал тепла, т.е. в 3 раза больше необходимо тепла, чем для нагревания льда при перепаде температуры в 25°.
Целью настоящего изобретения является повышение эффективности работы термосваи за счет увеличения интенсивности теплообмена в системе «грунт - атмосфера» и продление времени сохранения грунта в твердомерзлом состоянии вокруг подземной части термосваи.
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, включающем герметичный надземный корпус - конденсатор, заполненный парами низкокипящей жидкости в насыщенном состоянии - теплоносителем, и имеющее дополнительный контакт своего внутреннего пространства с атмосферой через сквозное воздухопроводное приспособление, подземную часть - испаритель в виде криволинейных трубопроводов, частично заполненных низкокипящем жидким теплоносителем, циркулирующим по восходящей и нисходящей ветвям, размещенных в «колодце холода», заполненный жидкостью, замерзающей ниже 0°C, и транспортный участок трубопроводов, соединяющий внутренние пространства надземной с подземной частей термосваи,
воздухопроводное приспособление выполнено в виде вертикальной трубы - продуха, длиной и диаметром, соизмеримыми с длиной и с диаметром корпуса и достаточным для размещения во внутреннем пространстве корпуса патрубка верхнего конца ветви трубопровода с восходящим потоком теплоносителя, а «колодец холода» размещен в опорной свае моста и заполнен водным раствором соли, например NaCl, с концентрацией, обеспечивающей заданную температуру замерзания раствора и требуемую температуру поддержания грунта в твердомерзлом состоянии,
на верхнем уровне раствора заполнения «колодца холода» размещен слой теплоизоляции с возможностью свободного перемещения во внутреннем пространстве «колодца холода» или его уплотнения при колебаниях уровня раствора. В свободном внутреннем пространстве корпуса между верхним концом трубопровода с восходящим потоком теплоносителя и отверстием под патрубок конца трубопровода с нисходящим потоком теплоносителя могут быть размещены вертикальные воздухопроводящие трубки с размерами по длине, соизмеримыми с продухом, а их внутренняя поверхность смазана противообледенительным средством, например пропиленгликолем.
Такое выполнение устройства увеличивает не менее чем в три раза теплообменную поверхность конденсатора по сравнению с прототипом. Кроме того, применение раствора солей понижает температуру и в несколько раз увеличивает время оттаивания мерзлого грунта за счет фазового перехода льда в воду. Известно, что на арктическом побережье, особенно на полуострове Ямал, до глубины 15 м (ниже - погребенные льды) верхние слои грунтов находятся в пластично-мерзлом состоянии при температуре минус 3,5°C вследствие засоления. Поэтому при строительстве требуется охлаждать грунты ниже этой температуры. Так, при концентрации NaCl, равным 9,0 г на 100 г воды, температура замерзания воды опускается до минус 5,4°C. Это значит, что на повышение температуры от -20°C до -5,4°C для 1 кг воды потребуется 14,6 ккал тепла, а при температуре -5,4°C 1 кг раствора соли в воде будет сохранять свое мерзлое состояние длительное время, пока не использует 80 ккал тепла, переходя из твердого состояния в пластичное.
Размещение вертикальных воздухопроводящих трубок добавляет 30% площади к теплообменной поверхности продуха. Такое расположение воздухообменных поверхностей продуха и трубок способствует постоянной циркуляции атмосферного воздуха на границе их контакта, так как у нагретых вертикальных поверхностей силы гравитации действуют в большей степени, чем у горизонтальных поверхностей.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен корпус-конденсатор предлагаемой термосваи с размещенным в ее внутреннем пространстве продухом, поперечный разрез; на фиг.2 - подземная часть термосваи, расположенная в опорной свае моста, который служит «колодцем холода», общий вид с совмещенным продольным разрезом. Теплоноситель и дополнительные воздухопроводящие трубки не показаны.
Термосвая включает в себя герметичный трубчатый корпус 1 с заглушенными торцами - сверху крышкой 2 и снизу дном 3. Во внутреннем пространстве корпуса 1 соосно размещен продух 4 в виде трубы размером, позволяющим установить рядом патрубок 5 в качестве верхнего конца ветви восходящего потока теплоносителя, а в дне 3 диаметрально напротив патрубка 5 выполнено отверстие и к нему снизу приварен патрубок 6 для трубопровода с нисходящим потоком теплоносителя. Подземная часть термосваи размещена в стальной опорной свае моста 7, служащей «колодцем холода» и размещенной в грунте 8, трубопровод с восходящим потоком теплоносителя выполнен спиральным 9, с нисходящим потоком - прямолинейным 10. Транспортная часть термосваи также подразделяется на две ветви - на трубопровод с восходящим потоком теплоносителя 11 и с нисходящим потоком 12. Эти трубопроводы по длине и изгибу могут иметь соответственно любой размер и кривизну, чтобы обеспечить возможность состыковать корпус конденсатора 1, который может быть установлен или на откосе подходной насыпи, или на перилах моста, с трубопроводами подземной части термосваи 9 и 10 соответственно с патрубком 5 и с патрубком 6. Внутреннее пространство опорной сваи моста 7 заполнено раствором соли 13, например NaCl, а верхний уровень раствора защищен от наружного воздуха слоем теплоизоляции 14.
Работа описываемой конструкции термосваи осуществляется следующим образом.
Подземная часть термосваи частично заполняется низкокипящей жидкостью, например фреоном или пропаном, последний имеет температуру кипения минус 43°C. При понижении температуры наружного воздуха ниже температуры грунта во внутреннем пространстве корпуса 1 давление насыщенного пара пропана понижается, часть пара конденсируется, одновременно в грунтовом теплообменнике 9, имеющий плотный контакт с раствором 13, происходит испарение и вскипание теплоносителя. Пузырьки газа, сливаясь в пробки, устремляются вверх по спиральной ветви трубопровода, поступают в воздушный теплообменник - корпус 1, где конденсируются, контактируя с внутренними стенками корпуса 1 и с внешними стенками продуха 4, жидкая фаза теплоносителя охлаждается и по ветвям 12 и 10 стекает вниз, вновь поступает в ветвь 9, завершая при этом замкнутый цикл циркуляции.
В случае большого перепада температур между наружным воздухом и раствором и грунтом циркуляция происходит в «снарядном» режиме с высокой скоростью течения парожидкостной смеси, поэтому температуры теплоносителя в конденсаторе и в испарителе за короткий срок выравниваются и разница в величинах температур в течение продолжительного времени составляет доли градуса. Эта разница в грунте резко увеличивается по мере удаления от трубопроводов, т.е. происходит постоянное охлаждение и увеличение объема замороженного грунта при условии наличия перепада температур между наружным воздухом и слоями грунта, окружающими трубопроводы. В предлагаемом техническом решении процесс теплообмена будет происходить, главным образом, уже между опорной частью сваи моста 7 и грунтом 8, так как рассол, находясь после первого же года эксплуатации СОУ в твердомерзлом состоянии и обладая повышенной теплопроводностью, как твердое тело, и не успевая за теплый период года оттаять, при наступлении первых же холодов сразу же начнет охлаждать грунт вокруг сваи 7.
Во время циркуляции теплоносителя, прежде всего, начинает замерзать раствор 13 и происходит образование льда непосредственно вокруг трубопроводов подземного теплообменника. Лед, как известно, увеличивается при этом в объеме на 9% и вытесняет жидкую фазу раствора в свае моста 7 вверх. В случае отсутствия теплоизоляции 14 образовавшийся поверхностный лед воспрепятствовал бы этому вытеснению, а остальной лед развивает давление до 1000 атмосфер в замкнутом пространстве, что может привести к деформации опоры 7. Например, при длине сваи моста 7, равной 5 м, и диаметре 1 м повышение уровня раствора при его замерзании составит 0,5 м, так как увеличение объема замерзшего раствора составит почти 400 литров.
Процессу увеличения скорости циркуляции теплоносителя способствует развитая внутренняя поверхность теплообмена корпуса 1 за счет наличия продуха 4, который занимает большую часть внутреннего пространства корпуса 1 и расположен вертикально, тем самым интенсифицирует процесс теплообмена между теплоносителем и воздухом.
Таким образом, предлагаемое изобретение выполняет поставленную цель и позволяет простыми конструктивными решениями и приемами снизить трудоемкость в изготовлении и монтаже термосвай для опор моста, используя для подземной части и транспортного участка трубопроводы из бухт металлопластика или полиэтилена с готовыми запорной арматурой и фитингами.
Источники информации
[1, 2] Транспортное строительство №9, 1990, с.35-37.
1. Термосвая для опор моста, включающая герметичный надземный корпус-конденсатор, заполненный парами низкокипящей жидкости в насыщенном состоянии - теплоносителем, и имеющая дополнительный контакт своего внутреннего пространства с атмосферой через сквозное воздухопроводное приспособление, подземную часть - испаритель в виде криволинейных трубопроводов, частично заполненных низкокипящем жидким теплоносителем, циркулирующим по восходящей и нисходящей ветвям, размещенным в «колодце холода», заполненном жидкостью, замерзающей ниже 0°C, и транспортный участок трубопроводов, соединяющий внутренние пространства надземной с подземной частью термосваи, отличающаяся тем, что воздухопроводное приспособление выполнено в виде вертикальной трубы - продуха, длиной и диаметром, соизмеримыми с длиной и с диаметром корпуса и достаточными для размещения во внутреннем пространстве корпуса патрубка верхнего конца ветви трубопровода с восходящим потоком теплоносителя, а «колодец холода» размещен в опорной свае моста и заполнен водным раствором соли, например NaCl, с концентрацией, обеспечивающей заданную температуру замерзания раствора и требуемую температуру поддержания грунта в твердомерзлом состоянии, на верхнем уровне раствора заполнения «колодца холода» размещен слой теплоизоляции с возможностью свободного перемещения во внутреннем пространстве «колодца холода» или его уплотнения при колебаниях уровня раствора.
2. Термосвая по п.1, отличающаяся тем, что в свободном внутреннем пространстве корпуса между верхним концом трубопровода с восходящим потоком теплоносителя и отверстием под патрубок конца трубопровода с нисходящим потоком теплоносителя могут быть размещены вертикальные воздухопроводящие трубки с размерами по длине, соизмеримыми с продухом.
3. Термосвая по п.2, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность воздухопроводящих трубок смазана противообледенительным средством, например пропиленгликолем.
