Хладоноситель для термостабилизации вечномерзлого грунта


 


Владельцы патента RU 2577056:

Галкин Михаил Леонидович (RU)

Изобретение относится к области строительства и холодильной техники, а именно к жидким рабочим составам для термостабилизации грунта при устройстве оснований и опор зданий, сооружений, трубопроводных систем в зоне вечной мерзлоты, конкретно к хладоносителям, используемым в устройствах и системах замораживания грунта. Хладоноситель обладает низкой вязкостью, высокой противокоррозионной активностью и теплопроводностью, сохраняет однородный состав при эксплуатации и является смесью компонентов, мас. %: пропиленгликоль 40-45%, глицерин 5-7%, целевые добавки 1-4%, остальное - вода. Его вязкость имеет значение в пределах от 10 до 90 мПа·с, а теплопроводность от 0,420 до 0,446 Вт/(м·К) в диапазоне температур от минус 5 до минус 30°C. Изобретение обеспечивает повышение эффективности замораживания и термостабилизации грунта и уменьшение стоимости свайного строительства сооружений за счет увеличения объема и устойчивости замораживаемого массива грунта.

 

Изобретение относится к области строительства и холодильной техники, а именно к жидким рабочим составам для термостабилизации грунта при устройстве оснований и опор зданий, сооружений, трубопроводных систем и т.п. в зоне вечной мерзлоты, конкретно к хладоносителям, используемым в устройствах и системах замораживания грунта.

Специфика строительства сооружений в зоне вечной мерзлоты (криолитозоне) связана с ее климатическими особенностями, которые проявляются «пучением» или просадкой грунта, деформацией опор и возведенных на их основе объектов при градиенте температур зима-лето. Следствием отепления верхней части массива вечной мерзлоты летом и последующего замораживания зимой является нарушение целостности фундаментов и опорных конструкций.

Данное обстоятельство требует принятия специальных мер предохранительного характера. Как установлено практикой мирового строительства в криолитозоне наиболее эффективным является установка опор и фундаментных оснований, охлаждаемых с помощью термостабилизаторов (ТСГ), известных также в публикациях как сезонные охлаждающие устройства (СОУ).

ТСГ с залитым в них хладагентом, без дополнительных устройств, работают как безкомпрессорная холодильная машина и поддерживают режим отрицательных температур вечномерзлого грунта вокруг опоры путем его замораживания зимой и длительного, частичного отепления летом [1].

Уровень отрицательных температур вокруг термостабилизатора образуется и поддерживается за счет режима испарения хладагента в испарителе (заглубленной части ТСГ). Пар переходит в жидкую фазу при минусовых температурах воздуха (обычно ниже минус 5ºС) путем конденсации в конденсаторе (наружной части ТСГ) со свободным гравитационным стеканием по внутренним стенкам ТСГ вниз в зону испарения.

В подобном режиме работы ТСГ происходит отбор тепла от грунта и его охлаждение/замораживание до отрицательных температур, обычно около минус 2…5ºС, что позволяет поддерживать опоры и в целом сооружение в стабильном замороженном состоянии и зимой, и летом. Для летнего периода применяют также сложные устройства принудительной циркуляции хладагента и отбора тепла от грунта путем искусственного его охлаждения.

Аналогичным образом используются широко известные хладоносители - рассолы на основе солей кальция, натрия, магния и др., которые будучи охлажденными в теплообменнике холодильной машины хладагентом поступают в замораживающие колонки - ТСГ, где производят отбор тепла от грунта [2]. При этом образуется массив замороженного грунта.

Недостатками известных хладоносителей являются их агрессивная коррозионность по отношению к конструкционным материалам и необходимость искусственного охлаждения в теплообменниках холодильных машин, что удорожает процесс заморозки. Кроме того, при протечке подобного хладоносителя в грунт заморозка последнего становится невозможной из-за резкого изменения его теплофизических свойств.

Известен также хладоноситель - трихлорэтилен (C2HCl3), который используется в колонках для замораживания грунта - ТСГ, будучи предварительно охлажденным в контакте с криоагентом (твердая углекислота) [3].

Использование данного хладоносителя улучшает условия заморозки и термостабилизации грунта, однако его эффективность невысока из-за сложностей заготовки и поставки в зону работ промышленных партий криоагента и обслуживания системы заморозки в отдаленных нежилых зонах вечной мерзлоты. Необходимость электроснабжения насосов для перекачки хладоносителя удорожает техническое решение и не позволяет использовать его автономно, что исключительно важно на магистральных трубопроводах Заполярья и Крайнего Севера.

Наиболее близким техническим решением - прототипом - является теплопередающая жидкость - хладоноситель (заводская марка XHT-HB) состоящая из компонентов, мас. %: пропиленгликоль 10-65; нитрат натрия 0,003-0,15; бензоат натрия 0,015-075; продукты взаимодействия глицерина с муравьиной кислотой 0,002-0,10; вода - остальное [4].

Подобный хладоноситель заливают в промежуток между испарителем с хладагентом и внешней трубой (гильзой) комбинированного, автономного от источников энергоснабжения ТСГ и используют для замораживания и термостабилизации грунта в зоне вечной мерзлоты [5].

Данное техническое решение позволяет улучшить рабочие и эксплуатационные характеристики процесса замораживания и термостабилизации грунта, однако оно не является оптимальным для различных зон свайного (опорного) строительства в криолитозоне.

Предлагаемое изобретение позволяет получить новый технический результат, заключающийся в увеличении эффективности работы хладоносителя с ТСГ по объему замораживания массива грунта, а также по времени его отепления. В целом это приводит к сокращению количества опор на единицу площади замораживаемого грунта, сокращению трудозатрат и материалов при строительстве сооружений, объектов и систем трубопроводного транспорта в зоне вечной мерзлоты, а также позволяет устранить аварийные ситуации из-за сезонных колебаний температуры.

Инновационное сочетание предлагаемого хладоносителя, обладающего высокими теплофизическими свойствами и стабильными техническими характеристиками в широком временном и температурном диапазоне, с конструктивом комбинированного ТСГ позволяет получать результат, лучший, чем у известных аналогов.

Высокая эффективность работы нового хладоносителя заключается в нижеследующем.

Эмпирически установлены и теоретически обоснованы особенности недостаточно высокой эффективности работы известных автономных ТСГ или СОУ с хладагентом без внешнего хладоносителя, размещаемого между испарителем и гильзой [6, 7]. Такого рода устройства массово используются при строительстве объектов в Заполярье, на Крайнем Севере и в Сибири. Вот почему, важно разрабатывать и применять новые высокоэффективные хладоносители, которые в сочетании с хладагентами в ТСГ комбинированного типа дают лучшие результаты по заморозке и термостабилизации грунтов в криолитозоне.

Известные ТСГ из-за сложного, зачастую непредсказуемого механизма испарения и конденсации хладагента соответственно в испарителе и конденсаторе недостаточно эффективны по отбору тепла от грунта, как по вертикали, так и по поперечному сечению испарителя вследствие неравномерности потока конденсата внутри испарителя и неравномерности структуры грунта, а значит и теплового потока от него.

В процессе эксплуатации ТСГ в потоке конденсата хладагента могут появляться газовые разрывы и сухие участки внутренней поверхности испарителя, что резко изменяет термосопротивление данного участка, снижая теплоприток от грунта и нарушая его равномерность. Данное обстоятельство связано с вариациями режима кипения хладагента, которое согласно [6] может быть пузырьковым, снарядным и кольцевым. Это в свою очередь приводит к разбалансировке работы всей системы охлаждения.

Следует отметить также, что все расчеты механизма и ожидаемого результата заморозки грунта базируются на среднезимней температуре минус 15ºС. Однако реально бывают повышения температуры до минус 5ºС и резкие ее колебания, вызванные естественным изменением метеоусловий. В результате также происходит разбалансировка работы ТСГ, в том числе и за счет нарушения баланса между теплопритоком от грунта и выносом тепла на поверхность через конденсатор.

Стекающая пленка жидкого хладагента внизу испарителя (в зоне испарения) под давлением паровой фазы хладагента может прерываться, не доходя до поверхности жидкого хладагента, в особенности в снарядном режиме кипения. В этой зоне превалирования паровой фазы резко возрастает разница теплопередачи между верхней частью испарителя с пленкой в жидкой фазе и нижней, с преобладанием паровой фазы испаряющегося хладагента [7]. Это - также причина разбалансировки работы ТСГ.

В целом, замороженный объем грунта для ТСГ из стали без внешнего хладоносителя имеет вид перевернутого, усеченного конуса с основанием на поверхности земли радиусом около 1,5 м и 0,5 м у его заглубленной вершины.

Известный хладоноситель (теплопередающая жидкость) - прототип [4], улучшает результат работы ТСГ, однако он недостаточно эффективен в различных зонах вечной мерзлоты с учетом разницы состава грунта (твердомерзлые, пластичномерзлые и сыпучемерзлые породы) и метеоусловий в регионе эксплуатации.

Для устранения недостатков известного хладоносителя был подобран новый состав, обладающий низкой вязкостью, высокой противокоррозионной активностью и теплопроводностью, сохраняющий однородный состав при эксплуатации. Были также определены эффективные границы его технических характеристик для применения в зонах вечной мерзлоты.

Новый хладоноситель для термостабилизации вечномерзлого грунта отличается от известных тем, что он имеет состав, мас. %: пропиленгликоль 40-45, глицерин 5-7, целевые добавки 1-4, остальное - вода, а его вязкость находится в пределах от 10 до 90 мПа·с и теплопроводность от 0,420 до 0,446 Вт/(м·К) в диапазоне температур от(-5) до (-30)°C. Его получают путем смешивания компонентов в водном растворе пропиленгликоля.

Для нового хладоносителя в ТСГ, по сравнению с известными, промораживаемый объем грунта в 1,5-2,5 раза больше и имеет вид, близкий к цилиндру с радиусом до 2,7 метров по пятну на поверхности земли. Это, в конечном итоге, позволяет снизить количество ТСГ на единицу площади и их суммарную стоимость, увеличить время частичного инерционного отепления замороженного объема, а значит и его устойчивость во времени и повысить надежность свайных опор и, соответственно, всего объекта.

Новый хладоноситель, размещаемый между корпусом испарителя и гильзой, позволяет устранить все недостатки известных аналогов и прототипа и заметно повысить эффективность работы ТСГ. Результатом применения нового хладоносителя является повышение сезонного интегрального значения теплоотдачи от грунта, устранение возможных перекосов и выравнивание теплоотдачи по всей площади теплообмена со стороны испарителя и от грунта через гильзу и предотвращение разбалансировки работы системы при колебаниях параметров теплового потока от грунта через ТСГ в атмосферу и изменениях внешней среды.

Предлагаемый хладноноситель работает нижеследующим образом.

Новый хладоноситель, имеющий низкую вязкость, высокую антикоррозионную активность и теплопроводность, сохраняющий однородный состав при эксплуатации, состоящий из компонентов смеси, мас. %: пропиленгликоль 40-45, глицерин 5-7, целевые добавки 1-4, остальное - вода, и имеющий вязкость в пределах от 10 до 90 мПа·с, а теплопроводность от 0,420 до 0,446 Вт/(м·К) в диапазоне температур от (-5) до (-30)°C, заливали в промежуток между гильзой и корпусом испарителя с хладагентом комбинированного ТСГ.

Целевые добавки ингибитора коррозии в количестве 1-4 мас. % смеси в новом хладоносителе представляют собой смесь, мас. %: нитрата натрия от 0,003 до 0,15, бензоата натрия от 0,015 до 0,75 и продуктов взаимодействия глицерина с муравьиной кислотой от 0,002 до 0,10, как это указано в прототипе [4].

Цель изобретения - повышение эффективности замораживания грунта и его термостабилизации, уменьшение стоимости свайного строительства сооружений за счет увеличения объема и устойчивости замораживаемого массива грунта.

Заправку хладоносителем с различным составом компонентов (в пределах и за пределами заявленных в формуле параметров) проводили в комбинированные ТСГ, которые размещали в скважины, пробуренные в массиве вечной мерзлоты с различным составом грунта (твердомерзлый, пластичномерзлый и сыпучемерзлый) и вели мониторинг замораживания, термостабилизации и последующего инерционного отепления грунта (устойчивости замороженного массива) в течение года.

В результате проведенных экспериментов установлено, что эффективным для замораживания сыпучемерзлого грунта является новый хладоноситель в составе, мас. %: пропиленгликоль 45, глицерин 7, целевые добавки ингибитора коррозии 4 (в составе, мас. %: нитрат натрия 0,15, бензоат натрия 0,75 и продукты взаимодействия глицерина с муравьиной кислотой 0,10, как это указано в прототипе), остальное - вода, имеющий вязкость 90 мПа·с, и теплопроводность 0,420 Вт/(м·К) при температуре (-30°C). В этом случае пятно заморозки на поверхности достигало в радиусе не менее 2 м. Объем замораживания грунта в 1,5 больше прототипа и время отепления грунта возрастало.

Увеличение концентрации пропиленгликоля, мас. % до 47, глицерина до 8, целевых добавок до 5 (в составе, мас. %: нитрат натрия 0,16, бензоат натрия 0,80 и продукты взаимодействия глицерина с муравьиной кислотой 0,15, по аналогии с прототипом), остальное - вода, при значении вязкости 93 мПа·с, теплопроводности 0,415 Вт/(м·К) и температуры (-33°C), за пределами оптимальных параметров указанных в формуле, не давало улучшения эффективности заморозки и по времени отепления грунта.

Оптимальным для пластичномерзлого грунта является новый хладоноситель в составе, мас. %: пропиленгликоль 43, глицерин 6, целевые добавки ингибитора коррозии 2,5 (в составе, мас. %: нитрат натрия 0,075, бензоат натрия 0,35 и продукты взаимодействия глицерина с муравьиной кислотой 0,05, в пределах концентраций по прототипу), остальное - вода, при значении вязкости 40 мПа, теплопроводности 0,425 Вт/(м·К) и температуры (-20°C). В этом случае пятно заморозки на поверхности достигало в радиусе 2,3 м, а объем замораживания грунта в 2 раза больше прототипов, время отепления грунта возрастало.

Уменьшение или увеличение концентрации компонентов хладоносителя (пропиленгликоля, глицерина, целевых добавок, остальное вода), а также вязкости, теплопроводности и температуры, за пределами оптимальных параметров не давало видимого улучшения эффективности заморозки для пластичномерзлого грунта, а время его отепления не возрастало.

Установлено, что оптимальным для твердомерзлых грунтов является новый хладоноситель в составе, мас. %: пропиленгликоль 40, глицерин 5, целевые добавки ингибитора коррозии 1 (в составе, мас. %: нитрат натрия 0,003, бензоат натрия 0,015 и продукты взаимодействия глицерина с муравьиной кислотой 0,002, как это указано в прототипе), остальное вода при значении вязкости 10 мПа·с, теплопроводности 0,446 Вт/(м·К) и температуры (-5°C). В этом случае пятно заморозки на поверхности достигало в радиусе 2,7 м, а объем замораживания грунта в 2,5 раза больше прототипа, соответственно и время отепления грунта увеличилось.

Уменьшение концентрации, мас. %: пропиленгликоля до 38, глицерина до 4,5, целевых добавок до 0,5(в составе, мас. %: нитрат натрия 0,002, бензоат натрия 0,012 и продукты взаимодействия глицерина с муравьиной кислотой 0,001 по аналогии с прототипом), остальное - вода, при значении вязкости 9 мПа·с, теплопроводности 0,450 Вт/(м·К) и температуры минус 4°C, за пределами оптимальных параметров, указанных в формуле, не давало видимого улучшения эффективности заморозки, более того, она имела тенденцию к снижению так же, как и время отепления грунта.

Источники информации

1. Долгих Г., Окунев С. Температурная стабилизация вечномерзлых грунтов приносит прибыль // ООО НПО «Фундаментстройаркос», TCP, №5, 2009.

2. Справочник по сооружению шахтных стволов специальными способами. Под ред. Н.Г. Трупака. М., 1980.

3. Патент RU 2235827, кл. E02D 3/115, E21D 1/12, 2003.

4. Патент RU 2296790, кл. C09K 5/10, 2007.

5. Генель Л.С., Галкин М.Л. и Рукавишников A.M. Термостабилизация вечномерзлых грунтов // Холодильная техника, №10, 2013, с. 44-47.

6. Голубин С.И. Повышение эксплуатационной надежности магистральных газопроводов в криолитозоне с применением технологии и технических средств термостабилизации грунтов //Автореферат диссертации на соискание степени канд. тех. наук. М., 2013.

7. Ховалыг Д.М., Бараненко А.В. Теплоотдача при кипении хладагентов в малых каналах // Вестник МАХ, №4, 2013. С. 3-11.

Хладоноситель для термостабилизации вечномерзлого грунта состоящий из смеси водного раствора пропиленгликоля с целевыми добавками ингибитора коррозии, отличающийся тем, что он содержит в составе компоненты, мас. %: пропиленгликоль 40-45%, глицерин 5-7%, целевые добавки ингибитора коррозии 1-4%, остальное - вода, а его вязкость находится в пределах от 10 до 90 мПа·с и теплопроводность от 0,420 до 0,446 Вт/(м·К) в диапазоне температур от минус 5 до минус 30°C, причем он обладает низкой вязкостью, высокой противокоррозионной активностью и теплопроводностью и сохраняет однородный состав при эксплуатации.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к водорастворимой жидкой смеси хладагента для замкнутых контуров охлаждения и к ее применению для обнаружения утечек в контуре и/или в качестве антифриза для контуров на водной основе.

Изобретение относится к текучему теплоносителю и его применению. Текучий теплоноситель по изобретению состоит из коллоидного водного золя, содержащего воду и до 58,8 мас.% по отношению к общей массе текучего теплоносителя частиц α-Al2O3 в форме бляшек.

Антифриз // 2540545
Изобретение относится к антифризам - низкозамерзающим охлаждающим жидкостям и может быть использовано для охлаждения двигателей внутреннего сгорания транспортных средств, специальной техники, а также в качестве теплоносителя в теплообменных аппаратах.
Изобретение относится к низкозамерзающим охлаждающим жидкостям и может быть использовано для охлаждения двигателей внутреннего сгорания машин и специальной техники, а также в качестве теплоносителя в теплообменных аппаратах.
Изобретение относится к области химической технологии, в частности к низкозамерзающим охлаждающим жидкостям, и может быть использовано в качестве теплоносителя в системах охлаждения двигателей внутреннего сгорания, а также в оборудовании бытового и промышленного назначения.
Изобретение может быть использовано в производстве бытовых солнечных коллекторов. Текучая среда, используемая в качестве теплоносителя и применимая для преобразования светового излучения в тепло, содержит воду и порошковый минерал.

Изобретение относится к усовершенствованному способу для переноса тепла на жидкую смесь, содержащую, по меньшей мере, один (мет)акрилмономер, выбранный из группы, включающей акриловую кислоту, метакриловую кислоту, гидроксиэтилакрилат, гидроксиэтилметакрилат, гидроксипропилакрилат, гидроксипропилметакрилат, глицидилакрилат, глицидилметакрилат, метилакрилат, метилметакрилат, н-бутилакрилат, изо-бутилакрилат, изо-бутилметакрилат, н-бутилметакрилат, трет-бутилакрилат, трет-бутилметакрилат, этилакрилат, этилметакрилат, 2-этилгексилакрилат и 2-этилгексилметакрилат, с помощью косвенного теплообменника, по которому на его первичной стороне течет флюидный теплоноситель и на его вторичной стороне одновременно течет указанная жидкая смесь, содержащая, по меньшей мере, один (мет)акрилмономер, причем жидкая смесь, содержащая, по меньшей мере, один (мет)акрилмономер, для уменьшения загрязнения дополнительно содержит добавленное, по меньшей мере, одно отличающееся от (мет)акрилмономеров активное соединение из группы, состоящей из третичных аминов, солей, образованных из третичного амина и кислоты Бренстеда, а также четвертичных соединений аммония, при условии что третичные и четвертичные атомы азота в, по меньшей мере, одном активном соединении не имеют никакой фенильной группы, но, по меньшей мере, частичное количество указанных третичных и четвертичных атомов азота имеет, по меньшей мере, одну алкильную группу.

Изобретение относится к противообледенительным и теплообменным жидким составам, применяемым для борьбы с обледенением или получения теплообменных жидкостей. .
Антифриз // 2370513
Изобретение относится к антифризу, который содержит нитрит натрия 0,1-0,2 мас.%, нитрат натрия 0,2-0,3 мас.%, натриевую соль 2-меркаптобензтиазола 3,0-4,0 мас.%, борат этаноламина 2,0-4,0 мас.%, этиленгликоль 50,0-60,0 мас.% и воду остальное.
Изобретение относится к охлаждающей жидкости, которая содержит, мас.%: нитрит натрия 0,1-0,2, нитрат натрия 0,2-0,3, бензотриазол 1,0-2,0, борат этаноламина 2,0-3,0, этиленгликоль 50,0-60,0 и воду остальное.
Наверх