RU143964U1

RU143964U1 - COOLING DEVICE FOR TEMPERATURE STABILIZATION OF MULTI-FROZEN SOILS

Info

Publication number: RU143964U1
Application number: RU2014109051/03U
Authority: RU
Inventors: Евгений Самуилович Ашпиз; Владимир Викторович Макаров; Олег Вячеславович Сурков; Лев Николаевич Хрусталев
Original assignee: Евгений Самуилович Ашпиз; Владимир Викторович Макаров; Олег Вячеславович Сурков; Лев Николаевич Хрусталев
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2014-08-10

Abstract

1. Охлаждающее устройство для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов, включающее герметичную трубу, с удаленным воздухом и залитым хладагентом, состоящую из двух участков, соответственно, конденсации и испарения, и расположенное на внутренней стенке трубы средство для увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем, при этом участок конденсации трубы расположен вертикально над землей и имеет оребрение, увеличивающее поверхность охлаждения, участок испарения расположен под землей наклонно к горизонту, отличающееся тем, что средство для увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем, выполнено на всей внутренней поверхности участка испарения в виде сетки или спекшегося металлического порошка из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, а участок испарения трубы установлен под углом к горизонту от 0 до 90°.2. Охлаждающее устройство для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов по п. 1, отличающееся тем, что сетка средства для увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем, выполнена из нержавеющей стали.3. Охлаждающее устройство для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов по п. 1, отличающееся тем, что в качестве металлического порошка средства для увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем, используют порошок меди.1. A cooling device for temperature stabilization of permafrost soils, including a sealed pipe with removed air and filled in refrigerant, consisting of two sections, respectively, of condensation and evaporation, and means located on the inner wall of the pipe to increase the surface of the pipe moistened with coolant, while the condensation pipe is located vertically above the ground and has a ribbing that increases the cooling surface, the evaporation section is located underground bent to the horizon, distinguishing the fact that the means for increasing the surface of the pipe moistened with coolant is made on the entire inner surface of the evaporation section in the form of a mesh or sintered metal powder from a material with a high coefficient of thermal conductivity, and the pipe evaporation section is set at an angle to the horizon from 0 to 90 ° .2 . A cooling device for temperature stabilization of permafrost soils according to claim 1, characterized in that the mesh of the means for increasing the surface of the pipe moistened with the coolant is made of stainless steel. 3. A cooling device for temperature stabilization of permafrost soils according to claim 1, characterized in that copper powder is used as a metal powder for increasing the surface of a pipe moistened with a coolant.

Description

Полезная модель относится к области строительства, а именно к основаниям, возводимым на многолетнемерзлых и слабых грунтах, насыпям железных и автомобильных дорог.The utility model relates to the field of construction, namely to foundations erected on permafrost and soft soils, embankments of railways and roads.

Насыпи железных и автомобильных дорог оказывают на вечномерзлые грунты основания большое тепловое влияние. Проезжая часть - охлаждающее, из-за очистки снега зимой; откосы - отепляющее, из-за скопления снега зимой и инсоляционного прогрева летом. В целом под низкими насыпями (ширина проезжей части больше ширины откосов) происходит охлаждение вечномерзлых грунтов, под высокими - растепление грунтов и часто их оттаивание. Оттаивание приводит к деформациям дорожного полотна. Для борьбы с оттаиванием используются вертикальные и наклонные парожидкостные сезонно действующие охлаждающие установки (СОУ), которые устанавливаются с двух сторон пути с шагом 2-5 мMounds of railways and roads have a great thermal effect on the permafrost soils of the base. Roadway - cooling, due to snow clearing in winter; slopes - warming, due to accumulation of snow in winter and insolation warming up in summer. In general, under low embankments (the width of the roadway is greater than the width of the slopes), permafrost soils are cooled, and under high ones, the soil is thawed and often thawed. Thawing leads to deformation of the roadway. To combat thawing, vertical and inclined vapor-liquid seasonally operating cooling units (SOU) are used, which are installed on both sides of the track in increments of 2-5 m

Известна гравитационная тепловая труба, предложенная американским инженером Лонгом в 1965 г., представляющая собой стальную герметичную трубу, заполненную пропаном, и выполняющая роль фундамента (отсюда он получил название термосвая) [Long E.L. Long thermohile // Proc. Intern. Permafrost Cjnf. USA, 1965, p. 487-491.].The gravitational heat pipe, proposed by the American engineer Long in 1965, is a sealed steel pipe filled with propane and acting as a foundation (hence it was called a thermoway) [Long E.L. Long thermohile // Proc. Intern. Permafrost Cjnf. USA, 1965, p. 487-491.].

Работает система следующим образом. В результате разности температур в испарителе и конденсаторе хладагент испаряется, отнимая тепло от окружающий испаритель среды, и в виде пара поступает в конденсатор, где пар конденсируется, выделяя тепло в окружающую конденсатор среду, а конденсат стекает по внутренней поверхности конденсатора в испаритель, образуя замкнутый цикл «испарение - конденсация». Эффективность работы тепловой трубы зависит от скорости движения конденсата, определяющего скорость цикла «испарение - конденсация» и от площади поверхности смачивания конденсатом внутренней поверхности испарителя.The system works as follows. As a result of the temperature difference in the evaporator and the condenser, the refrigerant evaporates, taking away heat from the medium surrounding the evaporator, and enters the condenser in the form of steam, where the steam condenses, releasing heat to the environment of the condenser, and the condensate flows down the inner surface of the condenser into the evaporator, forming a closed cycle "Evaporation - condensation." The efficiency of the heat pipe depends on the speed of the condensate, which determines the speed of the cycle "evaporation - condensation" and on the surface area of the condensate wetting the inner surface of the evaporator.

В гравитационных тепловых трубах движение конденсата происходит под действием гравитационных сил, направленных сверху-вниз перпендикулярно поверхности Земли. В противоположном направлении гравитационные силы не работают. Поэтому в примере «тепловая труба в грунте» летом испаритель располагается над землей (в верху), а конденсатор под землей (в низу), конденсат остается неподвижным и цикл «испарение - конденсация» прерывается и тепловая труба перестает работать. Это важное свойство гравитационной тепловой трубы, работающей по схеме полупроводника (холод пропускает, тепло задерживает) широко используется на практике. Наклон испарителя гравитационной тепловой трубы к горизонту приводит к уменьшению составляющей гравитационной силы, направленной по оси испарителя и определяющей скорость движения конденсата, и при углах наклона больше 10° эта сила становится меньше силы трения конденсата о поверхность испарителя и движение конденсата прекращается. Таким образом, чем меньше угол наклона, тем меньше скорость цикла «испарение - конденсация», а следовательно эффективность работы гравитационной тепловой трубы.In gravitational heat pipes, the movement of condensate occurs under the influence of gravitational forces directed from top to bottom perpendicular to the Earth's surface. In the opposite direction, gravitational forces do not work. Therefore, in the “heat pipe in the ground” example, in summer the evaporator is located above the ground (at the top), and the condenser is underground (at the bottom), the condensate remains stationary and the “evaporation - condensation” cycle is interrupted and the heat pipe stops working. This important property of a gravitational heat pipe operating according to the semiconductor circuit (cold passes, heat holds back) is widely used in practice. The inclination of the evaporator of the gravitational heat pipe to the horizon leads to a decrease in the component of the gravitational force directed along the axis of the evaporator and determines the speed of movement of the condensate, and at angles of inclination greater than 10 ° this force becomes less than the friction force of the condensate on the surface of the evaporator and the movement of the condensate stops. Thus, the smaller the angle of inclination, the lower the speed of the “evaporation - condensation” cycle, and therefore the efficiency of the gravitational heat pipe.

Другим важным фактором эффективности работы тепловой трубы является площадь поверхности испарения испарителя, определяемая поверхностью смачивания. Чем она больше, тем эффективность выше. В гравитационных тепловых трубах наклон испарителя к горизонту приводит к преобразованию пленочного движения конденсата по всей поверхности испарителя в струйное в нижней части трубы, что существенно сокращает площадь испарения, а следовательно и эффективность работы тепловой трубы.Another important factor in the efficiency of the heat pipe is the surface area of the evaporation of the evaporator, determined by the wetting surface. The larger it is, the higher the efficiency. In gravitational heat pipes, the slope of the evaporator to the horizon leads to the conversion of the film motion of condensate over the entire surface of the evaporator to jet in the lower part of the pipe, which significantly reduces the evaporation area, and therefore the efficiency of the heat pipe.

Недостатком такой конструкции является необходимость строго вертикального расположения трубы для обеспечения равномерного растекания жидкой пленки хладагента по ее внутренней поверхности.The disadvantage of this design is the need for a strictly vertical pipe arrangement to ensure uniform spreading of the liquid refrigerant film on its inner surface.

Известна капиллярная тепловая труба, представляющая собой стальную герметичную трубу, заполненную пропаном, и закрепленный на внутренней поверхности трубы средство для увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем (фитиль) [Патент США №2350348, F25D 11/025, F25D 11/02, F28D 15/04, опубл. 1944 г.].Known capillary heat pipe, which is a steel sealed pipe filled with propane, and mounted on the inner surface of the pipe means for increasing the surface of the pipe moistened with coolant (wick) [US Patent No. 2350348, F25D 11/025, F25D 11/02, F28D 15 / 04, publ. 1944].

Фитиль представляет собой пористое тело, изготовленное из металлической сетки или спекшегося металлического порошка, например, порошка меди.A wick is a porous body made of a metal mesh or sintered metal powder, for example, copper powder.

Благодаря фитилю конденсат в трубе распределяется равномерно по всему внутреннему периметру трубы и перемещается под действием капиллярных сил от участка с меньшей температурой к участку с большей температурой, независимо от положения трубы в пространстве. В капиллярных тепловых трубах движение конденсата происходит под действием капиллярных сил, которые не зависят от положения трубы в пространстве, а зависят лишь от размера пор фитиля, кроме того в капиллярных тепловых трубах поверхность смачивания конденсатом равна поверхности фитиля полностью покрывающего внутреннюю поверхность трубы. В примере «капиллярная тепловая труба в грунте» труба будет работать и в летнее время, проводя тепло в грунт, что неприемлемо, если производится охлаждение грунта.Thanks to the wick, the condensate in the pipe is distributed evenly around the entire inner perimeter of the pipe and moves under the action of capillary forces from the section with lower temperature to the section with higher temperature, regardless of the position of the pipe in space. In capillary heat pipes, the movement of condensate occurs under the action of capillary forces, which do not depend on the position of the pipe in space, but depend only on the pore size of the wick, in addition, in capillary heat pipes, the condensate wetting surface is equal to the surface of the wick completely covering the inner surface of the pipe. In the example “capillary heat pipe in the ground”, the pipe will also work in the summer, conducting heat to the ground, which is unacceptable if the soil is cooled.

Наиболее близким техническим решением является охлаждающее устройство для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов, включающее герметичную трубу, с удаленным воздухом и залитым хладагентом, состоящую из двух участков, соответственно, конденсации и испарения, и расположенное на внутренней стенке трубы средство для увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем, при этом участок конденсации трубы расположен вертикально над землей и имеет оребрение, увеличивающее поверхность охлаждения, участок испарения расположен под землей наклонно к горизонту [Патент РФ №33955, кл. E02D 3/115, опубл. 2003 г.].The closest technical solution is a cooling device for temperature stabilization of permafrost soils, including a sealed pipe, with removed air and filled in refrigerant, consisting of two sections, respectively, of condensation and evaporation, and a means located on the inner wall of the pipe to increase the surface of the pipe moistened with coolant, the condensation section of the pipe is located vertically above the ground and has fins that increase the cooling surface, the evaporation section is located en underground inclined to the horizon [RF patent №33955, cl. E02D 3/115, publ. 2003].

Участок конденсации расположен вертикально или отклонен от вертикали не более, чем на 30°, а на внутренней его стенке ниже уровня грунта выполнены карманы для задерживания стекающего конденсата (кольцевыми, спиралевидными или иметь иную форму). Участок испарения расположен наклонно к горизонту под углом не более 10°.The condensation section is located vertically or deviated from the vertical by no more than 30 °, and on its inner wall below the ground pockets are made to hold down the condensate (ring-shaped, spiral-shaped or have a different shape). The evaporation section is inclined to the horizon at an angle of no more than 10 °.

Недостатком известного охлаждающего устройства является потеря эффективности работы при отклонении участка испарения от вертикали, а также невозможность расположения участка испарения параллельно дневной поверхности, что дает наибольший эффект при охлаждении дорожного полотна. Кроме того, расположенное на внутренней стенке трубы участка конденсаци средство для увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем, в виде карманов перераспределяет конденсат по всей внутренней поверхности трубы перед его отеканием на участок испарения, но далее при отклонении участка испарения от вертикали средство не обеспечивает полного смачивания трубы на участке испарения, но в то же время создает дополнительное препятствие на пути движения конденсата и тем снижают скорость движения под действием гравитационных сил и, как следствие, эффективность устройства.A disadvantage of the known cooling device is the loss of operating efficiency when the evaporation section deviates from the vertical, as well as the inability to position the evaporation section parallel to the day surface, which gives the greatest effect when cooling the roadway. In addition, the means for increasing the surface of the pipe moistened with the coolant located on the inner wall of the pipe of the condensation section in the form of pockets redistributes the condensate over the entire inner surface of the pipe before it flows to the evaporation section, but then, when the evaporation section deviates from the vertical, the means do not completely wet the pipe in the evaporation area, but at the same time creates an additional obstacle to the condensate movement and thereby reduces the speed of movement under the influence of gravitational forces and, ak consequence, efficiency of the device.

Задачей, решаемой полезной моделью является повышение эффективности работы устройства.The problem solved by the utility model is to increase the efficiency of the device.

Поставленная задача решается тем, что в охлаждающем устройстве для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов, включающем герметичную трубу, с удаленным воздухом и залитым хладагентом, состоящую из двух участков, соответственно, конденсации и испарения, и расположенное на внутренней стенке трубы средство для увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем, при этом участок конденсации трубы расположен вертикально над землей и имеет оребрение, увеличивающее поверхность охлаждения, участок испарения расположен под землей наклонно к горизонту, средство для увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем, выполнено на всей внутренней поверхности участка испарения в виде сетки или спекшегося металлического порошка из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, а участок испарения трубы установлен под углом к горизонту от 0 до 90°.The problem is solved in that in a cooling device for temperature stabilization of permafrost soils, including a sealed pipe, with removed air and filled in refrigerant, consisting of two sections, respectively, of condensation and evaporation, and a means for increasing the surface of the pipe moistened on the inner wall of the pipe coolant, while the condensation section of the pipe is located vertically above the ground and has fins that increase the cooling surface, the evaporation section is located under mley obliquely to the horizontal, means for increasing the surface of the tube dipped coolant formed on the entire inner surface of the evaporation portion in the form of a mesh or sintered metal powder of a material having high thermal conductivity, and the tube evaporation section is installed at an angle to the horizon from 0 ° to 90 °.

Целесообразно сетку средства для увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем выполнить из нержавеющей стали, а в качестве металлического порошка средства для увеличения поверхности трубы, использовать порошок медиIt is advisable to use a mesh of means for increasing the surface of a pipe moistened with a coolant made of stainless steel, and as a metal powder of means for increasing the surface of a pipe, use copper powder

На фиг. 1 представлено устройство с вертикальным расположением участка испарения вертикально.In FIG. 1 shows a device with a vertical arrangement of the evaporation section vertically.

На фиг. 2 - устройство с расположением участка испарения под углом.In FIG. 2 - a device with the location of the evaporation site at an angle.

Охлаждающее устройство для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов состоит из герметичной трубы с удаленным воздухом и залитым хладагентом, состоящей из двух участков соответственно конденсации 1 и испарения 2. В качестве хладагента использован, например, аммиак.The cooling device for temperature stabilization of permafrost soils consists of a sealed pipe with removed air and filled in refrigerant, consisting of two sections of condensation 1 and evaporation 2, respectively. Ammonia is used as a refrigerant.

Участок конденсации 1 расположен вертикально над землей и имеет оребрение 3 с целью увеличения поверхности охлаждения, участок испарения 2 - под землей наклонно или вертикально.The condensation section 1 is located vertically above the ground and has a fin 3 in order to increase the cooling surface, the evaporation section 2 is inclined or vertical under the ground.

Средство 4 для увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем, выполнено на всей внутренней поверхности участка испарения 2 в виде сетки или спекшегося металлического порошка из материала с высоким коэффициентом теплопроводности.Means 4 for increasing the surface of the pipe moistened with coolant is made on the entire inner surface of the evaporation section 2 in the form of a mesh or sintered metal powder from a material with a high coefficient of thermal conductivity.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Зимой, когда температура участка испарения 2 выше температуры участка конденсации 1, хладагент в участке 2 испаряется и в виде пара 5 поступает в участок 1, где под действием естественного холода превращается в конденсат 6 и под действием гравитационных сил по внутренней стенке участка 1 стекает в участок 2.In winter, when the temperature of evaporation section 2 is higher than the temperature of condensation section 1, the refrigerant in section 2 evaporates and enters section 1 as steam 5, where it turns into condensate 6 under the influence of natural cold and flows down into the section under the action of gravitational forces on the inner wall of section 1 2.

При этом стекание конденсата 6 по всей внутренней стенке участка конденсации 1 не обязательно, оно может происходить как в виде пленки, так и в виде отдельной струи или струй. Это важное обстоятельство, оно позволяет не предъявлять жестких требований к вертикальному положению участка 1.Moreover, the drainage of condensate 6 over the entire inner wall of the condensation section 1 is not necessary; it can occur both in the form of a film and in the form of a separate jet or jets. This is an important circumstance, it allows you not to impose strict requirements on the vertical position of section 1.

В участке испарения 2 конденсат 6 перехватывается средством 4 и равномерно распределяется по всей внутренней поверхности участка 2 и под действием гравитационных и капиллярных сил перемещается к его низу.In the evaporation section 2, the condensate 6 is intercepted by means 4 and is evenly distributed over the entire inner surface of section 2 and, under the action of gravitational and capillary forces, moves to its bottom.

По мере движения конденсата 6 по средству 4 конденсат 6 превращается в пар 5, который поступает в участок конденсации 1, где вновь конденсируется и таким образом круг замыкается. На парообразование затрачивается большое количество тепла, которое изымается из грунта.As the condensate 6 moves through the medium 4, the condensate 6 turns into steam 5, which enters the condensation section 1, where it condenses again and thus the circle closes. A large amount of heat is expended on vaporization, which is removed from the soil.

По мере наклона участка испарения 2 к горизонту влияние гравитационных сил уменьшается, однако капиллярные силы остаются неизменными, что позволяет располагать участок испарения под углом 90° к вертикали. Это одно из важных преимуществ предлагаемого устройства по сравнению с известными. Было рассмотрен круговой процесс теплообмена в системе «атмосфера - установка - грунт» в зимнее время.As the evaporation section 2 tilts to the horizon, the influence of gravitational forces decreases, however, the capillary forces remain unchanged, which allows the evaporation section to be positioned at an angle of 90 ° to the vertical. This is one of the important advantages of the proposed device in comparison with the known. The circular heat exchange process in the “atmosphere - installation - soil” system in winter was considered.

Летом указанный процесс прекращается, поскольку температура участка конденсации 1 становится выше температуры участка испарения 2 и по своему функциональному действию 1 и 2 участки трубы меняются местами, а связь между ними отсутствует, ибо гравитационные силы снизу-вверх не работают, а капиллярные силы действуют лишь в пределах средства 4 для увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем, который ограничивается размерами участка испарения 2.In summer, this process stops, since the temperature of condensation section 1 becomes higher than the temperature of evaporation section 2 and in their functional action 1 and 2, the pipe sections change places, and there is no connection between them, because gravitational forces do not work from the bottom up, and capillary forces act only in within the means 4 for increasing the surface of the pipe moistened with coolant, which is limited by the size of the evaporation section 2.

Таким образом, предлагается в целях охлаждения основания дорожного полотна на вечномерзлых грунтах применить новую конструкцию охлаждающего устройства для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов - гравитационно-капиллярную тепловую трубу, объединяющую сильные стороны гравитационных и капиллярных тепловых труб.Thus, it is proposed to use a new design of a cooling device for temperature stabilization of permafrost soils - gravity-capillary heat pipe, combining the strengths of gravity and capillary heat pipes, in order to cool the foundation of the roadway on permafrost soils.

Гравитационно-капиллярная тепловая труба работает только зимой, а ее подземная часть может иметь наклон к горизонту от 0° до 90° без потери эффективности работы устройства.The gravity-capillary heat pipe works only in winter, and its underground part can have an inclination to the horizon from 0 ° to 90 ° without loss of efficiency of the device.

Возможность гравитационно-капиллярной тепловой трубы располагаться под углом 0° к горизонту позволяет наиболее эффективно использовать ее для охлаждения основания дорожного полотна, ибо в этом случае охлаждение ведется непосредственно от подошвы насыпи и оттаивание многолетнемерзлых грунтов полностью исключается, что защищает дорожное полотно от просадок. Это важная отличительная особенность гравитационно-капиллярной тепловой трубы обеспечивается наличием средства для увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем, расположенным только в пределах участка испарения. Такое расположение устройства превращает гравитационно-капиллярную трубу в полупроводник (холод пропускает, тепло задерживает) и кроме того за счет действия капиллярных сил обеспечивает движение конденсата на участке испарения при любом наклоне этого участка к горизонту.The ability of the gravity-capillary heat pipe to be located at an angle of 0 ° to the horizon allows it to be used most effectively for cooling the base of the roadway, because in this case cooling is carried out directly from the bottom of the embankment and thawing of permafrost soils is completely eliminated, which protects the roadway from subsidence. This is an important distinguishing feature of the gravitational-capillary heat pipe is provided by the presence of means for increasing the surface of the pipe moistened with a coolant located only within the evaporation area. This arrangement of the device turns the gravitational-capillary tube into a semiconductor (it allows cold to pass through, it retains heat) and, in addition, due to the action of capillary forces, it ensures the movement of condensate in the evaporation section at any inclination of this section to the horizon.

Claims

1. A cooling device for temperature stabilization of permafrost soils, including a sealed pipe with removed air and filled in refrigerant, consisting of two sections, respectively, of condensation and evaporation, and means located on the inner wall of the pipe to increase the surface of the pipe moistened with coolant, while the condensation pipe is located vertically above the ground and has a ribbing that increases the cooling surface, the evaporation section is located underground bent to the horizon, distinguishing The fact is that the means for increasing the surface of the pipe moistened with coolant are made on the entire inner surface of the evaporation section in the form of a mesh or sintered metal powder from a material with a high coefficient of thermal conductivity, and the pipe evaporation section is set at an angle to the horizon from 0 to 90 °.

2. A cooling device for temperature stabilization of permafrost soils under item 1, characterized in that the mesh means for increasing the surface of the pipe moistened with coolant is made of stainless steel.

3. A cooling device for temperature stabilization of permafrost soils according to claim 1, characterized in that copper powder is used as a metal powder for increasing the surface of a pipe moistened with a coolant.