Прямоточное естественно-конвективное охлаждающее устройство для термостабилизации мерзлого грунта


 


Владельцы патента RU 2554955:

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ КРИОСФЕРЫ ЗЕМЛИ СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК (ИКЗ СО РАН) (RU)

Изобретение относится к области строительства в районах распространения многолетне-мерзлых грунтов и, конкретно, к устройствам, обеспечивающим мерзлое состояние грунтов оснований сооружений при проектном значении отрицательной температуры. Технический результат - повышение эффективности работы устройства за счет обеспечения его автоматического запуска при понижении температуры атмосферного воздуха в заданной зоне. Устройство для термостабилизации мерзлого грунта имеет конденсатор, горизонтальный испаритель и систему автоматического управления запуском. Эта система включает в себя один или несколько электромагнитных датчиков для измерения внутренних параметров устройства. В качестве этих параметров предусмотрены температура и/или давление в конденсаторе, и/или датчик уровня конденсата в конденсаторе, датчик температуры наружного воздуха, анализатор сигналов датчиков и электромагнитный клапан. Данный клапан смонтирован на участке между выходом потока хладагента из трубки испарителя и его входом в конденсатор и имеет возможность срабатывания от внешнего - управляющего электрического сигнала анализатора на основе заложенного в его память критерия сравнения текущих показаний датчиков с критическими значениями внутренних параметров устройства. Упомянутые критерии и параметры установлены расчетом или опытным путем из условия предотвращения образования запирающей пробки конденсата выше местоположения монтажа электромагнитного клапана. 1 ил.

 

Изобретение относится к области строительства в районах распространения многолетне-мерзлых грунтов, а конкретно - к устройствам, обеспечивающим мерзлое состояние грунтов оснований сооружений при проектном значении отрицательной температуры (то есть - для их термостабилизации).

Известно устройство с конденсатором и горизонтальным испарителем (охлаждающим элементом) для термостабилизации мерзлых грунтов оснований сооружений - система ГЕТ [1. Г.М. Долгих, С.Н. Окунев, С.Н. Стрижков, Д.С. Паздерин, Н.Г. Гилев. Исследования систем температурной стабилизации грунтов на опытно-промышленном полигоне // Материалы международной научно-практической конференции по инженерному мерзлотоведению, 2011, Тюмень, 7-10 ноября, с.36-42, рис.1]. Работа устройства обеспечивается замкнутым циклом естественно-конвективного движения хладагента в двух фазах: жидкая фаза с отбором тепла от грунта испаряется в трубе испарителя, а пар конденсируется в конденсаторе, отдавая тепло в атмосферу, и стекает обратно в испаритель. Система ГЕТ является прямоточной, в которой сток конденсата из конденсатора и обратное поступление пара в него осуществляется по раздельным магистралям (в противоточных системах сток конденсата и обратный поток пара происходит по общей магистрали).

Проведенные исследования показывают, что работа подобных устройств (с относительно длинным горизонтальным испарителем) является весьма неустойчивой. Одной из серьезных проблем в их работе является затрудненный запуск циркуляции хладагента, несмотря на уже имеющееся в данный момент значительное охлаждение конденсаторного блока [2. Я.Б. Горелик, Р.Я. Горелик. Лабораторное моделирование работы двухфазного естественно-конвективного устройства с горизонтальной испарительной частью // Криосфера Земли, T.XV, №2, 2011, с.34-43]. В итоге это приводит к тому, что под влиянием высокого давления в испарителе системы, где температура и, соответственно, давление насыщающих паров выше, чем в конденсаторе, весь конденсат собирается в конденсаторе и "зависает" в нем без возможности стока в испаритель (система запирается). Причиной такого поведения системы является образование жидкой пробки конденсата, локализованной на стыке конечного горизонтального участка испарителя с восходящим отводом к конденсатору устройства. Возникновение этой пробки приводит к резкому повышению гидравлического сопротивления на входе двухфазного потока хладагента в конденсатор и запиранию системы.

Задачей, стоящей перед изобретением, является повышение эффективности работы устройства путем обеспечения его автоматического запуска при понижении температуры атмосферного воздуха в зоне размещения конденсатора.

Для решения поставленной задачи в конструкцию прямоточного естественно-конвективного устройства с конденсатором и горизонтальным испарителем включена система автоматического управления запуском. Система управления включает в себя один или несколько электромагнитных датчиков для измерения внутренних параметров устройства и параметров окружающей его внешней среды, анализатор сигналов датчиков и двухпозиционный (закрыто - открыто) электромагнитный клапан, срабатывающий от внешнего (управляющего) электрического сигнала, который вырабатывается анализатором на основе заложенного в его память критерия. Клапан врезан в трубку испарителя несколько ниже того отрезка, на котором происходит образование запирающей пробки. В качестве датчиков, характеризующих состояние внешней среды, достаточно иметь датчик температуры, размещаемый на некотором удалении от конденсатора. Датчики внутреннего состояния могут измерять температуру и давление, а также уровень конденсата в конденсаторе.

Изобретение поясняется чертежом, на котором приведена схема прямоточного естественно-конвективного охлаждающего устройства для термостабилизации мерзлого грунта.

Прямоточное естественно-конвективное охлаждающее устройство содержит герметично соединенные между собой горизонтальный испаритель 1 и конденсатор 2. Устройство заполнено дозированным количеством легкокипящей жидкости 3, уровень которой в конденсаторе зависит от его рабочего состояния (предпусковое состояние, нормальная работа, запертое состояние). Элементы системы автоматического управления запуском размещены в различных частях устройства. На конденсаторе размещены датчик 4 температуры конденсатора и/или датчик давления 5. На мерной трубке 6 уровня конденсата размещен датчик 7 уровня (в иллюстрируемом варианте - емкостного типа). Клапан 8 размещен на конечном горизонтальном участке испарителя перед ее переходом в вертикальный отвод к конденсатору. Анализатор 9 системы запуска размещен внутри пылевлагозащищенного металлического шкафа 10, имеющего ввод электропитания 11. Датчик 12 температуры атмосферного воздуха установлен на внешней стенке шкафа 10. Коммутационные провода 13 от клапана и всех датчиков заведены в шкаф 10 и смонтированы совместно с анализатором 9 (и иными необходимыми дополнительными элементами) в электрическую схему системы запуска.

Рассмотрим критерий срабатывания клапана на примере датчика уровня конденсата.

При нормальной работе устройства уровень конденсата в конденсаторе близок к минимальному значению hmin (которое несколько превышает положение испарителя, принимаемое за точку отсчета уровня) и определяется расчетом или опытным путем [2]. При образовании пробки и запирании системы весь конденсат скапливается в конденсаторе и его уровень достигает максимального значения hmax, которое легко вычисляется на основе известных параметров конструкции конденсатора и известного количества заправляемого хладагента. До момента начала понижения температуры атмосферного воздуха (когда его температура выше температуры грунта, подлежащего охлаждению) устройство находится в предпусковом состоянии, которое характеризуется тем, что весь конденсат занимает низшее положение из возможных, то есть находится в трубке испарителя.

В предпусковом состоянии датчик уровня фиксирует положение уровня конденсата ниже значения hmin. Условие h<hmin закладывается в память анализатора в качестве критерия для выработки управляющего сигнала на закрытие клапана. При наступлении зимнего периода температура наружного воздуха начинает понижаться, что вызывает понижение температуры внутри конденсатора. Это в свою очередь влечет понижение давления насыщающих паров хладагента внутри него. При постоянной температуре на испарителе (и соответствующем давлении насыщающих паров в нем) и по достижении достаточно низкой температуры атмосферного воздуха образуется достаточно большой перепад давлений между испарителем и конденсатором, который вызывает движение жидкой фазы хладагента из испарителя в конденсатор по стоковой линии FDCBA при закрытом положении клапана. Через определенное время практически весь конденсат собирается в конденсаторе. Конструкция конденсатора в прямоточном устройстве (для описываемого здесь процесса) не допускает попадания конденсата в зону, располагающуюся выше клапана (выше точки Н), то есть в этом процессе образование запирающей пробки исключено.

Опыт показывает, что устойчивая циркуляция и эффективная работа устройства может быть обеспечена при срабатывании клапана на открытие при выполнении условия h>0,9 hmax. Надежность и устойчивость такого запуска обусловлена тем, что гидравлическое сопротивление восходящей линии испарителя GHPQO в момент открытия клапана является минимальным, а кинетическая энергия восходящего потока - максимальна, что не позволяет запустить процесс формирования пробки (характерный для низких энергий двухфазного потока).

Условие h>0,9 hmax принимается в качестве критерия для выработки управляющего сигнала на открытие клапана. При временных повышениях температуры воздуха в течение зимы до значений, превышающих температуру текущего состояния грунта, весь конденсат скатывается в испаритель, что вызывает закрытие клапана по первому критерию. При последующем похолодании срабатывает второй критерий и так далее. Таким образом обеспечивается устойчивость работы устройства с применением системы автоматического запуска по показаниям датчика уровня.

Аналогичным образом может быть осуществлен запуск устройства по показаниям датчика температуры конденсатора. Для этого необходимо учесть, что при нормальной работе устройства температура конденсатора имеет максимальное значение, которое устанавливается расчетом или опытным путем (для заданной температуры наружного воздуха). При запирании системы эта температура принимает минимальное значение, близкое к значению окружающего воздуха.

Поскольку давление в конденсаторе однозначно связано с соответствующей температурой согласно кривой насыщения для конкретного хладагента, то аналогичная процедура может быть организована по показаниям датчика давления в конденсаторе. Для повышения надежности запуска управляющий сигнал на закрытие/открытие клапана может быть сформирован на основе дублирования показаний датчиков разных типов, анализа их синхронных сигналов и формулировки соответствующих критериев.

Прямоточное естественно-конвективное охлаждающее устройство для термостабилизации мерзлого грунта с конденсатором и горизонтальным испарителем, отличающееся тем, что оно снабжено системой автоматического управления запуском, включающей в себя: один или несколько электромагнитных датчиков для измерения внутренних параметров устройства, таких как температура и/или давление в конденсаторе, и/или датчик уровня конденсата в конденсаторе; датчик температуры наружного воздуха; анализатор сигналов датчиков и электромагнитный клапан, который смонтирован на участке между выходом потока хладагента из трубки испарителя и его входом в конденсатор и имеющий возможность срабатывания от внешнего - управляющего электрического сигнала анализатора на основе заложенного в его память критерия сравнения текущих показаний датчиков с критическими значениями внутренних параметров устройства, которые установлены расчетом или опытным путем из условия предотвращения образования запирающей пробки конденсата выше местоположения монтажа электромагнитного клапана.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу термостабилизации многолетнемерзлых и слабых грунтов и может быть использовано в производстве термосифонов (термостабилизаторов).

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано при освоении и эксплуатации месторождений, расположенных в зоне многолетнемерзлых пород.

Изобретение относится к строительству гидротехнических сооружений и может быть применено для создания ограждающей конструкции, предназначенной для защиты добывающей платформы плавучего типа в ледовых условиях арктического шельфа.

Изобретение относится к области строительства, а именно к устройствам для глубинного охлаждения и замораживания грунтов оснований зданий и сооружений, возводимых на многолетнемерзлых грунтах.

Изобретение относится к устройствам регулируемой температурной стабилизации, охлаждения и замораживания грунта основания фундаментов, а также теплоснабжения сооружений на вечномерзлых грунтах (в условиях криолитозоны).

Изобретение относится к области строительства на многолетнемерзлых грунтах, в частности к подготовке замораживающих устройств - термостабилизаторов к эксплуатации.

Изобретение относится к области строительства на многолетнемерзлых и слабых грунтах и касается выполнения систем замораживания и термостабилизации грунтовых оснований сооружений.

Изобретение относится к устройствам для сезонного охлаждения и замораживания грунтов оснований зданий и сооружений в районах распространения вечномерзлых грунтов.

Изобретение относится к области строительства в районах со сложными инженерно-геокриологическими условиями, а именно термостабилизации многолетнемерзлых и слабых грунтов.

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к системам замораживания грунтов при строительстве. .

Изобретение относится к теплотехнике в области строительства, а именно к индивидуальным сезонно-действующим охлаждающим устройствам - термостабилизаторам грунтов. Устройство для температурной термостабилизации многолетнемерзлых грунтов содержит 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 терморасщиренного графита, зажатых между ними. Технический результат состоит в обеспечении расширения температурного диапазона выполнения монтажных работ термостабилизаторов, а также исключения попадания остатков уплотнительных материалов в полость гильзы, заполненную хладоносителем. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к устройствам для теплообмена в дренажной системе, а также на строительной площадке. Устройство для теплообмена в дренажной системе содержит теплообменный компонент, имеющий наружный канал и внутренний канал, причем внутренний канал расположен внутри наружного канала. Соединительный компонент, который обеспечивает соединение с возможностью обмена текучей средой между теплообменным компонентом, первым приспособлением для присоединения канала для текучей среды и вторым приспособлением для присоединения канала для текучей среды. Соединительный компонент содержит наружные соединительные средства для присоединения теплообменного компонента к указанному второму приспособлению и внутренние соединительные средства для присоединения теплообменного компонента к указанному первому приспособлению. Наружный канал имеет первый конец, присоединенный к наружным соединительным средствам, и второй, закрытый конец. Внутренний канал имеет первый конец, присоединенный к внутренним соединительным средствам, и второй, открытый конец. Причем указанное устройство выполнено так, что теплообменная среда проходит через указанное первое приспособление, внутренний канал, наружный канал и указанное второе приспособление. Наружный канал содержит по меньшей мере одну трубку, которая выполнена искривленной или угловой, и по меньшей мере одну трубку, которая выполнена, по существу, цилиндрической, а внутренний канал содержит гибкую трубку. Технический результат состоит в обеспечении эффективного теплообмена в дренажной системе. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к области строительства на многолетнемерзлых грунтах с искусственным охлаждением грунтов основания и одновременным обогревом сооружения с помощью теплового насоса. В поверхностном фундаменте сооружения, обеспечивающем сохранение грунтов основания в мерзлом состоянии с одновременным обогревом сооружения с помощью теплового насоса, согласно изобретению охлаждающий и греющий контуры теплового насоса расположены в самом фундаменте и разделены теплоизоляцией. Технический результат состоит в обеспечении надежной ремонтопригодной конструкции фундамента полной заводской готовности, обеспечивающей сохранение грунтов основания в мерзлом состоянии вне зависимости от изменения климата. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области строительства в районах со сложными инженерно-геокриологическими условиями и может быть использовано для термостабилизации многолетнемерзлых и замораживания слабых пластичномерзлых грунтов. Способ монтажа облегченных охлаждающих устройств для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов включает бурение сквозной пологонаклонной скважины, протяжку охлаждающего устройства, снабженного трубами испарителя и конденсатора, соединенными сильфонными рукавами, защищенными бандажами, в скважину до проектного положения, монтаж охлаждающих элементов на конденсаторные трубы охлаждающего устройства. Охлаждающее устройство заранее укладывают в защитную обойму, состоящую из обсадных труб муфтового соединения, оба торца которой снабжены амортизирующими прокладками и завинчены крышками, протягивают в скважину до проектной отметки с одновременным расширением скважины. Конденсаторные участки труб охлаждающего устройства освобождают от защитной обоймы, крепят их за анкеры. В зазор между защитной обоймой и стенками скважины устанавливают цементировочную трубу и извлекают буровым станком защитную обойму с одновременной подачей цементного раствора с водоцементным соотношением В:Ц=0,5 в зазор между охлаждающим устройством и стенками скважины. Технический результат состоит в повышении несущей способности грунтовых оснований, снижение нагрузок от сооружений на облегченные конструкции термостабилизаторов, снижении материалоемкости строительно-монтажных работ. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх