RU147446U1

RU147446U1 - SEASONAL ACTING UNIT FOR COOLING ETERNAL-FROZEN SOILS OF BASES OF ENGINEERING STRUCTURES

Info

Publication number: RU147446U1
Application number: RU2014102252/03U
Authority: RU
Inventors: Вадим Васильевич Пассек; Илья Николаевич Палавошев; Вячеслав Вадимович Пассек
Original assignee: Вадим Васильевич Пассек; Илья Николаевич Палавошев; Вячеслав Вадимович Пассек
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2014-11-10

Abstract

Сезоннодействующая установка для охлаждения вечномерзлых грунтов оснований инженерных сооружений, содержащая вертикально или наклонно расположенную трубу с замкнутыми торцами и имеющую сквозную по высоте полость, надземная часть которой расположена выше естественной поверхности грунта, а подземная - ниже этой поверхности, при этом полость заполнена хладагентом, а надземная часть содержит ребра, вплотную примыкающие к стенке трубы, отличающаяся тем, что подземная часть содержит ребра, вплотную примыкающие к стенке трубы и расположенные с внешней стороны стенки трубы, а в надземной части ребра примыкают с внутренней стороны стенок трубы.A seasonal unit for cooling permafrost soils of the foundations of engineering structures, containing a vertically or slanted pipe with closed ends and having a cavity through the height, the aboveground part is located above the natural surface of the soil, and the underground part is below this surface, while the cavity is filled with refrigerant, and the aboveground the part contains ribs adjacent to the pipe wall, characterized in that the underground part contains ribs adjacent to the pipe wall and is located walls on the outside of the pipe, and in the aerial part of the rib are adjacent to the inside of the pipe walls.

Description

Полезная модель относится к области строительства, а именно к устройствам для охлаждения и замораживания грунтов, используемым при строительстве инженерных сооружений в районах вечной мерзлоты.The utility model relates to the field of construction, namely, devices for cooling and freezing soils used in the construction of engineering structures in permafrost areas.

Известна сезоннодействующая установка для охлаждения вечномерзлых грунтов оснований инженерных сооружений (Гапеев С.И. Укрепление мерзлых оснований охлаждением. Л., Стройиздат, 1969, с. 18). Установка представляет из себя вертикально или наклонно погруженную в грунт трубу с замкнутыми торцами и имеющую сквозную по всей высоте полость, заполненную хладагентом, надземная часть которой расположена выше, а подземная - ниже естественной поверхности грунта.Known seasonally active installation for cooling permafrost soils of the foundations of engineering structures (Gapeev S.I. Strengthening frozen foundations by cooling. L., Stroyizdat, 1969, p. 18). The installation consists of a pipe with closed ends vertically or slanted into the ground and having a cavity through the entire height filled with refrigerant, the aboveground part is located above and the underground part is below the natural surface of the soil.

Достоинством данной конструкции является простая технология изготовления. Недостатком является слабая теплопередача холода из окружающей среды к хладагенту через стенки трубы в надземной части конструкции и связанные с этим увеличение размеров надземной части и повышенные затраты материала.The advantage of this design is its simple manufacturing technology. The disadvantage is the low heat transfer of cold from the environment to the refrigerant through the pipe walls in the above-ground part of the structure and the associated increase in the size of the above-ground part and increased material costs.

Известна сезоннодействующая установка для охлаждения вечномерзлых грунтов оснований инженерных сооружений (Макаров В.И. Термосифоны в северном строительстве. Новосибирск., Наука, 1985, с. 48). Установка представляет из себя вертикально или наклонно погруженную в грунт трубу с замкнутыми торцами и имеющую сквозную по всей высоте полость, надземная часть которой расположена выше, а подземная - ниже естественной поверхности грунта, при этом полость заполнена хладагентом, а надземная часть содержит ребра жесткости, примыкающие к внешней поверхности трубы.Known seasonal operating unit for cooling permafrost soils foundations of engineering structures (Makarov V.I. Thermosiphons in northern construction. Novosibirsk., Nauka, 1985, p. 48). The installation consists of a pipe with closed ends vertically or obliquely submerged in the ground and having a cavity through the entire height, the aboveground part is located above and the underground part is below the natural surface of the soil, while the cavity is filled with refrigerant, and the aboveground part contains stiffeners adjacent to the outer surface of the pipe.

В данной конструкции сделана попытка увеличить эффективность теплопередачи путем установки жестких ребер к надземной части и снизить затраты материала. Недостатком является то, что ребра, расположенные с внешней стороны надземной части, не изменяют температуры внутренних стенок и снижают коэффициент теплоотдачи на границе с окружающей средой.In this design, an attempt is made to increase the heat transfer efficiency by installing rigid ribs to the above-ground part and reduce material costs. The disadvantage is that the ribs located on the outside of the aboveground part do not change the temperature of the inner walls and reduce the heat transfer coefficient at the border with the environment.

Задачей данного технического решения является снижение расхода металла в надземной части конструкции путем увеличения ее эффективности и последующего снижения размеров.The objective of this technical solution is to reduce the consumption of metal in the aerial part of the structure by increasing its effectiveness and subsequent reduction in size.

Для достижения указанного технического результата сезоннодействующая установка для охлаждения вечномерзлых грунтов оснований инженерных сооружений содержит вертикально или наклонно расположенную трубу с замкнутыми торцами и имеет сквозную по высоте и заполненную хладагентом полость, надземная часть которой расположена выше, а подземная - ниже естественной поверхности грунта, при этом полость заполнена хладагентом, а надземная часть содержит ребра, вплотную примыкающие к внутренней стороне стенки трубы.To achieve the specified technical result, a seasonally operating installation for cooling permafrost soils of the foundations of engineering structures contains a vertically or inclined pipe with closed ends and has a cavity through the height and filled with refrigerant, the aboveground part is located above and the underground part is below the natural surface of the soil, while the cavity filled with refrigerant, and the above-ground part contains ribs adjacent to the inner side of the pipe wall.

Кроме того сезоннодействующая установка для охлаждения вечномерзлых грунтов оснований инженерных сооружений, может содержать ребра, вплотную примыкающие к стенке трубы и расположенные с внешней стороны трубы в пределах подземной части установки.In addition, a seasonally active installation for cooling permafrost soils of foundations of engineering structures may contain ribs adjacent to the pipe wall and located on the outside of the pipe within the underground part of the installation.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, гдеThe essence of the utility model is illustrated by drawings, where

на фиг. 1 приведена схема устройства и работы установки,in FIG. 1 shows a diagram of the device and the operation of the installation,

на фиг. 2 - температурное поле по сечению надземной части установки в аналоге,in FIG. 2 - temperature field along the cross-section of the aerial part of the installation in the analogue,

на фиг. 3 - то же, в прототипе,in FIG. 3 - the same in the prototype,

на фиг. 4 - то же, в предлагаемом техническом решении.in FIG. 4 - the same in the proposed technical solution.

Сезоннодействующая установка для охлаждения вечномерзлых грунтов оснований инженерных сооружений (СОУ) содержит вертикально или наклонно расположенную трубу высотой h (фиг. 1), которая имеет надземную часть 1 высотой h_в, расположенную выше естественной поверхности 2 грунта, и подземную часть 3 высотой h_н, расположенную ниже естественной поверхности 2 грунта. Труба содержит сквозную по высоте полость 4, которая с верхнего торца закрыта крышкой 5, а с нижнего - дном 6. К стенкам трубы вплотную примыкают ребра: в надземной части ребра 7, расположенные с внутренней стороны стенок, а в подземной части - ребра 8, расположенные с внешней стороны стенок. Ребра 9 могут быть расположены также и на крышке 5 с внутренней стороны, при этом верхняя зона надземной части может быть развита в горизонтальном направлении. Полость 4 заполнена хладагентом. В качестве хладагента может быть либо воздух, либо керосин, либо газовая смесь, изменяющая свое фазовое состояние при изменении температуры. При этом глубина заложения установок (подземная часть 3) колеблется от 5 до 25 м, а высота надземной части обычно составляет 1-3 м. Диаметр СОУ существенно зависит от вида хладагента: в парожидкостных установках он равен 4-5 см, в жидкостных 10-30 см, в воздушных - 50-300 см.A seasonal installation for cooling permafrost soils of foundations of engineering structures (SOU) contains a vertically or obliquely located pipe of height h (Fig. 1), which has an aboveground part 1 of height h _in , located above the natural surface 2 of the soil, and an underground part 3 of height h _n , located below the natural surface 2 of the soil. The pipe contains a cavity through the height 4, which is closed by a cover 5 from the upper end and the bottom 6 from the bottom. The ribs are adjacent to the pipe walls: in the aboveground part, the ribs 7 located on the inner side of the walls, and in the underground part - ribs 8, located on the outside of the walls. The ribs 9 can also be located on the lid 5 from the inside, while the upper zone of the aboveground part can be developed in the horizontal direction. Cavity 4 is filled with refrigerant. The refrigerant can be either air, or kerosene, or a gas mixture that changes its phase state with temperature. At the same time, the installation depth (underground part 3) varies from 5 to 25 m, and the height of the aboveground part is usually 1-3 m. The diameter of the СОУ significantly depends on the type of refrigerant: in steam-liquid installations it is 4-5 cm, in liquid 10- 30 cm, in the air - 50-300 cm.

Для упорядочения конвективных потоков полость 3 может быть оборудована различными дополнительными вставками, например, коаксиальной вставкой, представляющей собой установленную внутри трубу, имеющую меньший, чем диаметр основной трубы.To organize convective flows, the cavity 3 can be equipped with various additional inserts, for example, a coaxial insert, which is a pipe installed inside and having a smaller diameter than the main pipe.

СОУ работает следующим образом.JMA works as follows.

В зимний период надземная часть СОУ охлаждается за счет низкой температуры наружного воздуха: поток холода q₁ поступает в полость. За счет разности веса холодного и теплого воздуха в полости начинается конвекция: поток холода q₂ поступает в подземную часть полости. Далее холод уходит к грунт (поток q₃).In the winter period, the aboveground part of the JMA is cooled due to the low temperature of the outside air: the cold flow q ₁ enters the cavity. Due to the difference in the weight of cold and warm air in the cavity, convection begins: the flow of cold q ₂ enters the underground part of the cavity. Then the cold goes to the ground (flow q ₃ ).

В установившемся режиме q₁=q₂=q₃ (1), при этом формирование каждого потока происходит по своим законам, а равенство (1) определяется самым слабым звеном. Поток q₃ определяется высотой подземной части, диаметром СОУ и теми условиями, которые создаются на границе теплообмена СОУ и грунта. Эти условия в данном случае улучшаются устройством ребер 8. Увеличению потока q₂ посвящено много работ. В частности, существенно увеличивает q₂ устройство коаксиальной вставки.In the steady state, q ₁ = q ₂ = q ₃ (1), while each stream is formed according to its own laws, and equality (1) is determined by the weakest link. The flow q _{3 is} determined by the height of the underground part, the diameter of the SDA and the conditions that are created at the boundary of the heat exchange of the SDA and the soil. In this case, these conditions are improved by the arrangement of ribs 8. A lot of work has been devoted to increasing the flow q ₂ . In particular, the q ₂ coaxial insertion device significantly increases.

Предлагаемое техническое решение ставит целью увеличение q₁. Известно, что увеличение мощности радиатора в жилых домах связано с устройством оребренной поверхности трубопроводов. Но ребра расположены с той стороны, которая нагревается, т.е. со стороны, на которую влияют. В существующих теплообменниках СОУ зачастую все делается наоборот - ребра устанавливаются со стороны, которая сама влияет. В этом случае устройство ребер не только не дает пользы, а может сказываться вредно, поскольку уменьшается коэффициент теплоотдачи за счет снижения скорости ветра в зоне теплообменника, его засорения, покрытия инеем или снегом и т.п.The proposed technical solution aims to increase q ₁ . It is known that an increase in radiator power in residential buildings is associated with the installation of the finned surface of pipelines. But the ribs are located on the side that heats up, i.e. from the affected side. In existing SOU heat exchangers, often everything is done the other way around - the fins are installed from the side that affects itself. In this case, the arrangement of the ribs not only does not give any benefit, but can also be detrimental, since the heat transfer coefficient decreases due to a decrease in the wind speed in the heat exchanger zone, its clogging, frost or snow cover, etc.

На фиг. 2, 3, 4 приведены результаты математического моделирования процесса передачи холода в аналоге, прототипе, предлагаемом техническом решении. Для сопоставления эффективности различных вариантов было осуществлено математическое моделирования процессов и проведены расчеты на ЭВМ. Во всех трех случаях принималось одно и то же время охлаждения хладагента внутри полости надземной части СОУ. При отсутствии ребер (фиг. 2) охлаждение до температуры t₂ осуществлялось в довольно узком кольце. Меньшее охлаждение, т.е. до температуры t₂ осуществлялось в кольце также незначительной величины. В случае наличия ребер снаружи (фиг. 3) внутри ничего не менялось. Внешние ребра никак не влияли на внутреннюю полость. В случае установки ребер внутри эффект резко возрастал (в данном случае в 2-3 раза). Сущность процесса здесь следующая: температуропроводность стали значительно выше температуропроводности хладагента. Поэтому внутренние ребра являются «мостиками холода» внутрь полости.In FIG. 2, 3, 4 show the results of mathematical modeling of the process of cold transfer in an analogue, prototype, proposed technical solution. To compare the effectiveness of various options, mathematical modeling of processes was carried out and computer calculations were carried out. In all three cases, the same refrigerant cooling time was taken inside the cavity of the aerial part of the JMA. In the absence of fins (Fig. 2), cooling to a temperature of t _{2 was} carried out in a rather narrow ring. Less cooling i.e. up to temperature t _{2 was also} carried out in the ring of negligible magnitude. If there were ribs on the outside (Fig. 3), nothing changed inside. External ribs did not affect the internal cavity. In the case of installing ribs inside, the effect increased sharply (in this case, by 2–3 times). The essence of the process here is as follows: the thermal diffusivity of the steel is much higher than the thermal diffusivity of the refrigerant. Therefore, the inner ribs are "bridges of cold" inside the cavity.

Эффективность предложенного технического решения определяется снижением расхода металла на надземную часть, поскольку можно без всякого ущерба убрать внешние ребра, а постановка внутренних ребер позволит уменьшить высоту надземной части.The effectiveness of the proposed technical solution is determined by the reduction of metal consumption in the aerial part, since it is possible to remove the external ribs without any damage, and the setting of the internal ribs will reduce the height of the aerial part.

Claims

A seasonal unit for cooling permafrost soils of the foundations of engineering structures, containing a vertically or slanted pipe with closed ends and a cavity through the height, the aboveground part is located above the natural surface of the soil, and the underground part is below this surface, while the cavity is filled with refrigerant, and the aboveground the part contains ribs adjacent to the pipe wall, characterized in that the underground part contains ribs adjacent to the pipe wall and is located walls on the outside of the pipe, and in the aerial part of the rib are adjacent to the inside of the pipe walls.