RU166167U1

RU166167U1 - COOLING SLAB-TILING DEVICE FOR TEMPERATURE STABILIZATION OF MULTI-FROZEN SOILS

Info

Publication number: RU166167U1
Application number: RU2016121453/03U
Authority: RU
Inventors: Юрий Альфредович Кузма-Кичта; Александр Владимирович Лавриков; Юрий Павлович Штефанов; Юрий Александрович Левашов; Игорь Филиппович Прокопенко
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2016-05-31
Publication date: 2016-11-20

Abstract

Охлаждающее слабонаклонное устройство для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов, включающее участки испарения и конденсации и расположенный в трубе фитиль для увеличения поверхности, смоченной теплоносителем, при этом участок конденсации расположен вертикально над землей и имеет оребрение, увеличивающее поверхность охлаждения, участок испарения расположен под землей наклонно к горизонту, отличающееся тем, что фитиль для увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем, образован из наночастиц и стальной винтовой проволоки на всей поверхности испарителя, а испаритель тепловой трубы установлен под углом к горизонту от 0 до 90°.A slightly sloping cooling device for temperature stabilization of permafrost soils, including evaporation and condensation sections and a wick located in the pipe to increase the surface moistened with coolant, while the condensation section is located vertically above the ground and has fins that increase the cooling surface, the evaporation section is located underground under the horizon characterized in that the wick for increasing the surface of the pipe moistened with coolant is formed of nanoparticles and a steel screw howl wire across the evaporator surface, the evaporator of the heat pipe is set at an angle to the horizon from 0 ° to 90 °.

Description

Полезная модель относится к объектам, возводимым на многолетнемерзлых и слабых грунтах, например насыпям железных и автомобильных дорог. Эти объекты оказывают на вечномерзлые грунты основания большое тепловое влияние. Охлаждение, из-за очистки снега зимой; отепление, из-за скопления снега зимой и инсоляционного прогрева летом. Оттаивание приводит к деформациям дорожного полотна.The utility model relates to objects built on permafrost and soft soils, such as embankments of railways and roads. These objects have a great thermal effect on the permafrost soils of the base. Cooling due to snow clearing in winter; warming due to snow accumulation in winter and insolation warming up in summer. Thawing leads to deformation of the roadway.

Для термостабилизации грунтов используются устройства, представляющие собой вертикальные и наклонные парожидкостные сезонно действующие охлаждающие установки (СОУ), предназначенные для замораживания и круглогодичного поддержания в мерзлом состоянии оснований инженерных сооружений, возводимых в зоне многолетнемерзлых грунтов.For thermal stabilization of soils, devices are used, which are vertical and inclined vapor-liquid seasonally operating cooling units (SOUs) designed for freezing and year-round maintenance in the frozen state of the foundations of engineering structures erected in the permafrost zone.

Известна гравитационная тепловая труба, предложенная Лонгом в 1965 г., [Long E.L. Long thermohile // Proc. Intern. Permafrost Cjnf. USA, 1965, p. 487-491.]. Гравитационная тепловая труба действует следующим образом. В результате разности температур в испарителе и конденсаторе хладагент испаряется, и пар поступает в конденсатор, где он конденсируется, и тепло передается в окружающую среду, а конденсат стекает в испаритель, образуя замкнутый цикл "испарение-конденсация".The gravitational heat pipe proposed by Long in 1965, [Long E.L. Long thermohile // Proc. Intern. Permafrost Cjnf. USA, 1965, p. 487-491.]. Gravity heat pipe operates as follows. As a result of the temperature difference in the evaporator and the condenser, the refrigerant evaporates, and the steam enters the condenser, where it condenses, and heat is transferred to the environment, and the condensate flows into the evaporator, forming a closed evaporation-condensation cycle.

Эффективность работы тепловой трубы зависит от скорости движения конденсата и площади смачивания конденсатом поверхности испарителя.The efficiency of the heat pipe depends on the speed of the condensate and the area of condensate wetting the surface of the evaporator.

В гравитационных тепловых трубах движение конденсата происходит под действием гравитационных сил, направленных сверху вниз перпендикулярно поверхности Земли. Наклон испарителя гравитационной тепловой трубы к горизонту приводит к уменьшению составляющей гравитационной силы, направленной вдоль оси испарителя и определяющей скорость движения конденсата.In gravitational heat pipes, the condensate moves under the influence of gravitational forces directed from top to bottom perpendicular to the Earth's surface. 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.

Важным фактором эффективности тепловой трубы является площадь испарения, определяемая поверхностью смачивания. Чем она больше, тем эффективность выше. В гравитационных тепловых трубах наклон испарителя к горизонту приводит к преобразованию пленочного движения конденсата в струйное в нижней части трубы, что существенно сокращает площадь испарения, а следовательно уменьшает эффективность тепловой трубы.An important factor in the efficiency of the heat pipe is the evaporation area 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 to jet in the lower part of the pipe, which significantly reduces the evaporation area, and therefore reduces the efficiency of the heat pipe.

Недостатком такой тепловой трубы является необходимость ее вертикального расположения для обеспечения равномерного растекания хладагента по ее внутренней поверхности.The disadvantage of such a heat pipe is the need for its vertical arrangement to ensure uniform spreading of the refrigerant on its inner surface.

Известна капиллярная тепловая труба с закрепленным на ее внутренней поверхности средством для увеличения поверхности смоченной теплоносителем (фитиль) [Патент США №2350348, F25D 11/025, F25D 11/02. F28D 15/04, опубл. 1944.].Known capillary heat pipe with fixed to its inner surface means for increasing the surface 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. Благодаря фитилю конденсат в трубе распределяется равномерно по всему ее периметру 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 ее от ориентации в пространстве, а зависят лишь от размера пор фитиля, кроме того, в капиллярных тепловых трубах поверхность смачивания конденсатом равна поверхности фитиля, полностью покрывающего ее внутреннюю поверхность.A wick is a porous body made of a metal mesh or sintered metal powder, such as copper powder. Thanks to the wick, the condensate in the pipe is distributed evenly around its entire perimeter 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 condensate moves under the influence of capillary forces, which do not depend on its orientation 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 its inner surface.

К недостаткам "капиллярной тепловой трубы" можно отнести то, что она будет работать и в летнее время, проводя тепло в грунт, что неприемлемо, если осуществляется его охлаждение.The disadvantages of the "capillary heat pipe" include the fact that it will work in the summer, conducting heat to the ground, which is unacceptable if it is cooled.

Наиболее близким техническим решением является охлаждающее устройство для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов включающее участки испарения и конденсации, и расположенное в трубе средство для увеличения поверхности смоченной теплоносителем, при этом участок конденсации расположен вертикально над землей и имеет оребрение, увеличивающее поверхность охлаждения, участок испарения расположен под землей наклонно к горизонту [Патент РФ №143964, Кл E02D 3/115, 10.08.2014].The closest technical solution is a cooling device for temperature stabilization of permafrost soils including evaporation and condensation sections, and means located in the pipe to increase the surface moistened with coolant, while the condensation section is located vertically above the ground and has fins that increase the cooling surface, the evaporation section is located underground inclined to the horizon [RF Patent No. 143964, CL E02D 3/115, 08/10/2014].

Участок испарения трубы расположен под углом к горизонту от 0° до 90°.The pipe evaporation section is located at an angle to the horizon from 0 ° to 90 °.

Средство для увеличения поверхности смоченной теплоносителем расположено по всей поверхности испарителя и представляет собой сетку из нержавеющей стали или спекшегося порошка меди.Means for increasing the surface moistened with coolant is located over the entire surface of the evaporator and is a grid of stainless steel or sintered copper powder.

Недостатком, известного охлаждающего устройства является уменьшение эффективности работы при отклонении участка от вертикали вследствие уменьшения площади смачивания из-за неравномерности механического прижатия сетки из нержавеющей стали к стенкам в электросварных трубах при наличии шва на всем ее протяжении. Различные дефекты труб при массовом изготовлении могут привести также к нарушению целостности пористого покрытия из меди. Таким образом покрыть всю поверхность испарителя сеткой из нержавеющей стали с достаточным для возникновения капиллярных сил прижимом или медного спеченного порошка возможно лишь для гладких ровных труб без дефектов и швов. Эффективность же устройства будет снижена в случае использования обычных труб.A disadvantage of the known cooling device is a decrease in operating efficiency when the section deviates from the vertical due to a decrease in the wetting area due to the uneven mechanical pressing of the stainless steel mesh to the walls in the electric-welded pipes in the presence of a weld along its entire length. Various pipe defects during mass production can also lead to a violation of the integrity of the porous copper coating. Thus, it is possible to cover the entire surface of the evaporator with a stainless steel mesh with a sufficient clamping force or sintered copper powder for capillary forces to appear, only for smooth, even pipes without defects and seams. The efficiency of the device will be reduced if conventional pipes are used.

Задачей, которая решается с помощью полезной модели, является повышение эффективности работы устройства.The task that is solved using the utility model is to increase the efficiency of the device.

Поставленная задача решается тем, что в охлаждающем устройстве для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов, включающим участки испарения и конденсации, и расположенный в трубе фитиль для увеличения поверхности, смоченной теплоносителем, при этом участок конденсации расположен вертикально над землей и имеет оребрение, увеличивающее поверхность охлаждения, участок испарения расположен под землей наклонно к горизонту, фитиль для увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем, образован из наночастиц и стальной винтовой проволоки на всей поверхности испарителя, а испаритель тепловой 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 evaporation and condensation sections, and a wick located in the pipe to increase the surface moistened with a coolant, while the condensation section is located vertically above the ground and has a fin that increases the cooling surface, evaporation is located underground tilted to the horizon, the wick to increase the surface of the pipe moistened with coolant is formed of nanoparticles and steel wire novy wire on the entire surface of the evaporator, and the heat pipe evaporator is installed at an angle to the horizon from 0 to 90.

Покрытие внутренней поверхности испарителя тепловой трубы выполнено наночастицами различных видов керамики, поскольку керамика представляет собой смесь оксидов различных материалов хорошо смачивающихся большинством теплоносителей. Стальная винтовая проволока выполняется из стали, которая отвечает требованиям надежности, не дорога в производстве и обладает высокой теплопроводностью.Coating the inner surface of the heat pipe evaporator is made by nanoparticles of various types of ceramics, since ceramics is a mixture of oxides of various materials that are well wetted by most coolants. Steel helical wire is made of steel, which meets the requirements of reliability, is not expensive in production and has high thermal conductivity.

На Фиг. 1. показано устройство с фитилем из наночастиц с расположением участка испарения под угломIn FIG. 1. shows a device with a wick of nanoparticles with the location of the evaporation site at an angle

На Фиг. 2. представлен фитиль в виде покрытия поверхности с наночастицами (увеличение 10000 раз) на который потом устанавливается стальная витая проволока.In FIG. 2. presents a wick in the form of a surface coating with nanoparticles (an increase of 10,000 times) on which a steel twisted wire is then installed.

На Фиг. 3 представлены экспериментальные данные, полученные на модели слабонаклонного охлаждающего устройства с различными структурами поверхности: покрытие из наночастиц и стальной витой проволоки, покрытие из наночастиц, без покрытия, покрытие из витой проволоки.In FIG. Figure 3 presents the experimental data obtained on the model of a slightly inclined cooling device with various surface structures: a coating of nanoparticles and steel twisted wire, a coating of nanoparticles, without coating, a coating of twisted wire.

Охлаждающее устройство для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов состоит из тепловой трубы, содержащей участок конденсации 1 и испарения 2.The cooling device for temperature stabilization of permafrost soils consists of a heat pipe containing a condensation section 1 and evaporation 2.

Участок конденсации 1 (фиг. 1) расположен вертикально над землей, участок испарения 2 - под землей, наклонно или вертикально. Участок конденсации 1 имеет оребрение 3 с целью увеличения поверхности охлаждения. Участок испарения 2 снабжен фитилем 4 для увеличения поверхности трубы, смоченной жидким теплоносителем 5, и выполнен в виде покрытия из наночастиц различных видов керамики и стальной винтовой проволоки.The condensation section 1 (Fig. 1) is located vertically above the ground, the evaporation section 2 is underground, obliquely or vertically. The condensation section 1 has a fin 3 in order to increase the cooling surface. The evaporation section 2 is equipped with a wick 4 to increase the surface of the pipe moistened with liquid coolant 5 and is made in the form of a coating of nanoparticles of various types of ceramics and steel helical wire.

Гравитационно-капилярная тепловая труба с фитилем из наночастиц и стальной винтовой проволоки работает только зимой, а ее подземная часть может быть наклонена к горизонту от 0° до 90°. Эффективность устройства не понижается при любой геометрии трубы.The gravity-capillary heat pipe with a wick made of nanoparticles and steel screw wire works only in winter, and its underground part can be inclined to the horizon from 0 ° to 90 °. The efficiency of the device does not decrease with any pipe geometry.

Расположение испарителя гравитационно-капилярной тепловой трубы с фитилем из наночастиц под углом 0° к горизонту позволяет эффективно использовать ее для охлаждения основания объектов. Например, в случае дорожного полотна, охлаждение ведется от подошвы насыпи и оттаивание многолетнемерзлых грунтов исключается, что предупреждает просадки железнодорожного полотна. Это важная особенность гравитацонно-капиллярной тепловой трубы достигается благодаря выполнению фитиля в виде покрытия из наночастиц и стальной винтовой проволоки, увеличивающего поверхность трубы, смоченной теплоносителем, на участке испарения. Такое выполнение устройства позволяет пропускать только холод и кроме того за счет действия капиллярных сил обеспечивая движение конденсата на участке испарения при любом его наклоне к горизонту. В охлаждающем устройстве для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов по п. 1, для увеличения площади, покрытой жидким теплоносителем, реализована интенсификация теплообмена с помощью покрытия из наночастиц и стальной винтовой проволоки. Метод интенсификации выбран на основании экспериментальных данных, полученных на модели слабонаклонного охлаждающего устройства, представленых на Фиг. 3 распределение высоты подъема жидкости по длине охлаждающего устройства для 4-х вариантов поверхности и разных углов наклона к горизонту.The location of the evaporator of the gravitational-capillary heat pipe with a wick of nanoparticles at an angle of 0 ° to the horizon allows its effective use for cooling the base of objects. For example, in the case of the roadway, cooling is carried out from the bottom of the embankment and thawing of permafrost soils is excluded, which prevents subsidence of the railway bed. This is an important feature of the gravitational-capillary heat pipe is achieved due to the wick in the form of a coating of nanoparticles and steel screw wire, increasing the surface of the pipe moistened with coolant in the evaporation area. This embodiment of the device allows only cold to pass through, and in addition, due to the action of capillary forces, the condensate moves in the evaporation section at any inclination to the horizon. In a cooling device for temperature stabilization of permafrost soils according to claim 1, in order to increase the area covered by a liquid coolant, heat transfer is intensified using a coating of nanoparticles and steel helical wire. The intensification method was selected on the basis of experimental data obtained on the model of a slightly inclined cooling device shown in FIG. 3 distribution of the lift height of the liquid along the length of the cooling device for 4 surface options and different angles of inclination to the horizon.

Устройство работает следующим образом. В тепловой трубе происходят следующие процессы циркуляции теплоносителя: испарение жидкой фазы теплоносителя 6 в зоне нагрева 2 при подводе тепла от грунта; перенос пара 5 в зону с пониженным давлением - зону теплоотвода и конденсации 1; конденсация пара 5 в зоне теплоотвода; и скопление его в виде жидкости 6 в зоне испарения, подача жидкости 6 из зоны конденсации 1 в зону испарения 2 под действием капиллярных и массовых сил.The device operates as follows. The following processes of circulation of the coolant occur in the heat pipe: evaporation of the liquid phase of the coolant 6 in the heating zone 2 when heat is supplied from the ground; steam 5 transfer to the zone with reduced pressure - heat removal and condensation zone 1; steam condensation 5 in the heat sink zone; and its accumulation in the form of liquid 6 in the evaporation zone, the supply of liquid 6 from the condensation zone 1 to the evaporation zone 2 under the action of capillary and mass forces.

При этом стекание конденсата 6 по внутренней стенке участка конденсации 1 может происходить в виде пленки, так и в виде струи или струй.In this case, the drainage of condensate 6 on the inner wall of the condensation section 1 can occur in the form of a film, or in the form of a jet or jets.

Для начала работы тепловой трубы, необходимо создать разницу температур между участком конденсации и испарения. Зимой это реализуется за счет того, что температура участка испарения 2 выше температуры участка конденсации 1. Летом указанный процесс прекращается, поскольку температура участка конденсации 1 становится выше температуры участка испарения 2. Перенос жидкой фазы теплоносителя в направлении от испарителя к конденсатору отсутствует.To start the operation of the heat pipe, it is necessary to create a temperature difference between the condensation and evaporation section. In winter, this is realized due to the fact that the temperature of the evaporation section 2 is higher than the temperature of the condensation section 1. In summer, this process stops, since the temperature of the condensation section 1 becomes higher than the temperature of the evaporation section 2. There is no transfer of the liquid phase of the heat carrier from the evaporator to the condenser.

Конденсат 6 с помощью фитиля 4 равномерно распределяется по внутренней поверхности участка 2 и под действием гравитационных и капиллярных сил перемещается к его низу.Condensate 6 with the help of wick 4 is evenly distributed on the inner surface of section 2 and, under the action of gravitational and capillary forces, moves to its bottom.

Фитиль 4 работает следующим образом. Затопление части фитиля стекающим конденсатом 6 приводит к тому, что кривизна менисков жидкости в этой области фитиля, как правило, ничтожна по сравнению с соответствующей кривизной в остальных его частях. Различие кривизны менисков и, следовательно, капиллярных давлений в этих двух зонах фитиля приводит к появлению перепада давлений, который является движущим напором при перекачке жидкости по фитилю из зоны затопления в зону испарения. Стальная винтовая проволока выполняет роль удерживающей гидрофильной структуры для удержания больших капель конденсата, которые оказываются на верхней поверхности тепловой трубы, так как капиллярные силы не достаточно высоки, что бы хладагент поднимался в верхнюю часть устройства.Wick 4 works as follows. The flooding of part of the wick with flowing condensate 6 leads to the fact that the curvature of the meniscus of the liquid in this area of the wick, as a rule, is negligible compared to the corresponding curvature in the rest of its parts. The difference in the meniscus curvature and, therefore, the capillary pressures in these two zones of the wick leads to the appearance of a pressure drop, which is the driving pressure when pumping liquid through the wick from the flooding zone to the evaporation zone. The steel helical wire acts as a retaining hydrophilic structure to hold large drops of condensate that are on the upper surface of the heat pipe, since the capillary forces are not high enough so that the refrigerant rises to the top of the device.

При увеличении наклона участка испарения 2 к горизонту влияние гравитационных сил уменьшается, однако капиллярные силы позволяют располагать участок испарения под углом 90° к вертикали. Это одно из важных преимуществ предлагаемого устройства по сравнению с известными. Таким образом, для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов предлагается гравитационно-капиллярная тепловая труба с фитилем из наночастиц и стальной винтовой проволоки, сочетающая достоинства гравитационных и капиллярных тепловых труб любой геометрии.With an increase in the slope of evaporation section 2 to the horizon, the influence of gravitational forces decreases, however, capillary forces make it possible to arrange the evaporation section at an angle of 90 ° to the vertical. This is one of the important advantages of the proposed device in comparison with the known. Thus, for temperature stabilization of permafrost soils, a gravity-capillary heat pipe with a wick made of nanoparticles and a steel screw wire is proposed, combining the advantages of gravity and capillary heat pipes of any geometry.

Claims

A slightly sloping cooling device for temperature stabilization of permafrost soils, including evaporation and condensation sections and a wick located in the pipe to increase the surface moistened with coolant, while the condensation section is located vertically above the ground and has fins that increase the cooling surface, the evaporation section is located underground under the horizon characterized in that the wick for increasing the surface of the pipe moistened with coolant is formed of nanoparticles and a steel screw howl wire across the evaporator surface, the evaporator of the heat pipe is set at an angle to the horizon from 0 ° to 90 °.