RU2554955C1

RU2554955C1 - Straight-flow natural-convection cooling device for thermal stabilisation of frozen soil

Info

Publication number: RU2554955C1
Application number: RU2014112456/03A
Authority: RU
Inventors: Владимир Павлович Мельников; Яков Борисович Горелик; Виктор Владимирович Накладнов
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2015-07-10

Abstract

FIELD: machine building.SUBSTANCE: device for thermal stabilisation of frozen soil has condenser, horizontal evaporator and start-up automatic control system. This system comprises one or more solenoid sensors to measure the device internal parameters. Such parameters are temperature and/or pressure in the condenser, and/or condensate level sensor in condenser, ambient temperature sensor, analyser of sensor signals and solenoid valve. This valve is installed at section between input of the coolant flow from the evaporator tube and its input tot eh condenser, and has possibility of activation by external control electric signal of the analyser based on the loaded in memory criterion of comparison of current sensor readings with critical values of the device internal parameters. The said criteria and parameters are determined by the calculation or test on the condition to prevent formation of the block plug of condensate above installation place of the solenoid valve.EFFECT: increased operation efficiency of the device due to assurance of its automatic start-up upon decreasing of the ambient air temperature in the specified zone.1 dwg

Description

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).The invention relates to the field of construction in areas where permafrost soils are widespread, and in particular, to devices providing a frozen state of the soil of the foundations of structures at the design value of negative temperature (that is, for their thermal stabilization).

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).A device with a condenser and a horizontal evaporator (cooling element) for thermostabilization of frozen soils of the foundations of structures is known - the Get system [1. G.M. Dolgikh, S.N. Okunev, S.N. Strizhkov, D.S. Pazderin, N.G. Gilev. Studies of soil temperature stabilization systems at a pilot industrial range // Materials of the international scientific-practical conference on permafrost engineering, 2011, Tyumen, November 7-10, p. 36-42, Fig. 1]. The operation of the device is ensured by a closed cycle of naturally convective movement of the refrigerant in two phases: the liquid phase, with heat taken from the soil, evaporates in the evaporator tube, and the steam condenses in the condenser, transferring heat to the atmosphere, and flows back to the evaporator. The Get system is direct-flow, in which the condensate drain from the condenser and the steam return to it are carried out on separate lines (in counter-current systems, the condensate drain and the return steam flow are on the common line).

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.Studies have shown that the operation of such devices (with a relatively long horizontal evaporator) is very unstable. One of the serious problems in their work is the difficult start of the circulation of the refrigerant, despite the already existing significant cooling of the condenser unit [2. I WOULD. Gorelik, R.Ya. Gorelik. Laboratory simulation of the operation of a two-phase naturally convection device with a horizontal evaporation part // Earth Cryosphere, T.XV, No. 2, 2011, p. 34-43]. As a result, this leads to the fact that under the influence of high pressure in the evaporator of the system, where the temperature and, accordingly, the pressure of the saturating vapors are higher than in the condenser, all the condensate is collected in the condenser and “freezes” in it without the possibility of flow into the evaporator (the system is locked ) The reason for this behavior of the system is the formation of a liquid condensate plug localized at the junction of the final horizontal section of the evaporator with an upward tap to the condenser of the device. The occurrence of this plug leads to a sharp increase in hydraulic resistance at the inlet of the two-phase flow of refrigerant into the condenser and locking the system.

Задачей, стоящей перед изобретением, является повышение эффективности работы устройства путем обеспечения его автоматического запуска при понижении температуры атмосферного воздуха в зоне размещения конденсатора.The challenge facing the invention is to increase the efficiency of the device by ensuring its automatic start when lowering the temperature of the atmospheric air in the area of the capacitor.

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.To solve this problem, the design of a direct-flow natural convection device with a condenser and a horizontal evaporator includes an automatic start control system. The control system includes one or more electromagnetic sensors for measuring the internal parameters of the device and the parameters of its external environment, a signal analyzer of sensors and a two-position (closed - open) electromagnetic valve that is triggered by an external (control) electric signal, which is generated by the analyzer based on the embedded in his memory a criterion. The valve is embedded in the evaporator tube slightly below the length of the blocking plug. As sensors characterizing the state of the environment, it is enough to have a temperature sensor located at some distance from the capacitor. Internal condition sensors can measure temperature and pressure, as well as the level of condensate in the condenser.

Изобретение поясняется чертежом, на котором приведена схема прямоточного естественно-конвективного охлаждающего устройства для термостабилизации мерзлого грунта.The invention is illustrated in the drawing, which shows a diagram of a direct-flow naturally convective cooling device for thermal stabilization of frozen soil.

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.Direct-flow naturally-convective cooling device contains a horizontal evaporator 1 and a condenser 2 hermetically connected together. The device is filled with a dosed quantity of low-boiling liquid 3, the level of which in the condenser depends on its operating state (starting state, normal operation, locked state). Elements of the automatic launch control system are located in various parts of the device. A condenser temperature sensor 4 and / or a pressure sensor 5 are placed on the condenser. A level 7 sensor (in the illustrated embodiment, a capacitive type) is placed on the measuring tube 6 of the condensate level. Valve 8 is placed on the final horizontal section of the evaporator before it passes into a vertical outlet to the condenser. The analyzer 9 of the start-up system is placed inside a dust-tight metal cabinet 10 having an electrical power input 11. The atmospheric air temperature sensor 12 is mounted on the outer wall of the cabinet 10. The switching wires 13 from the valve and all sensors are connected to the cabinet 10 and mounted together with the analyzer 9 (and other necessary additional elements) in the electrical circuit of the launch system.

Рассмотрим критерий срабатывания клапана на примере датчика уровня конденсата.Consider the valve response criterion using an example of a condensate level sensor.

При нормальной работе устройства уровень конденсата в конденсаторе близок к минимальному значению h_min (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 h_max, 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.During normal operation of the device, the condensate level in the condenser is close to the minimum value of h _min (which slightly exceeds the position of the evaporator, taken as the reference point of the level) and is determined by calculation or empirically [2]. When a plug is formed and the system is shut off, all the condensate accumulates in the condenser and its level reaches the maximum value h _max , which is easily calculated on the basis of the known design parameters of the condenser and the known amount of chargeable refrigerant. Before the start of lowering the temperature of atmospheric air (when its temperature is higher than the temperature of the soil to be cooled), the device is in the pre-start state, which is characterized by the fact that all the condensate is in the lowest possible position, that is, located in the evaporator tube.

В предпусковом состоянии датчик уровня фиксирует положение уровня конденсата ниже значения h_min. Условие h<h_min 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.In the pre-start state, the level sensor detects the position of the condensate level below the value of h _min . The condition h <h _{min is} stored in the analyzer memory as a criterion for generating a control signal to close the valve. When the winter period begins, the outdoor temperature starts to drop, which causes a decrease in temperature inside the condenser. This in turn entails a decrease in the pressure of the saturating vapor of the refrigerant inside it. At a constant temperature on the evaporator (and the corresponding pressure of saturating vapors in it) and when a sufficiently low ambient temperature is reached, a sufficiently large pressure difference is formed between the evaporator and the condenser, which causes the liquid phase of the refrigerant from the evaporator to the condenser to move along the FDCBA drain line when the valve is closed . After a certain time, almost all the condensate collects in the condenser. The design of the condenser in the direct-flow device (for the process described here) does not allow condensate to enter the area located above the valve (above point H), that is, in this process the formation of a locking plug is excluded.

Опыт показывает, что устойчивая циркуляция и эффективная работа устройства может быть обеспечена при срабатывании клапана на открытие при выполнении условия h>0,9 h_max. 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).Experience shows that stable circulation and efficient operation of the device can be ensured when the valve is opened to open when the condition h> 0.9 h _max . The reliability and stability of such a start is due to the fact that the hydraulic resistance of the ascending line of the GHPQO evaporator at the time of opening the valve is minimal, and the kinetic energy of the upward flow is maximum, which does not allow starting the tube formation process (typical for low two-phase flow energies).

Условие h>0,9 h_max 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.The condition h> 0.9 h _{max is} taken as a criterion for generating a control signal for opening the valve. With temporary increases in air temperature during the winter to values exceeding the temperature of the current state of the soil, all condensate rolls into the evaporator, which causes the valve to close according to the first criterion. With subsequent cooling, the second criterion is triggered, and so on. This ensures the stability of the device using the automatic start system according to the readings of the level sensor.

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.In a similar way, the device can be started according to the readings of the condenser temperature sensor. For this, it is necessary to take into account that during normal operation of the device, the condenser temperature has a maximum value, which is established by calculation or empirically (for a given outdoor temperature). When locking the system, this temperature takes a minimum value close to the value of the surrounding air.

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.Since the pressure in the condenser is uniquely related to the corresponding temperature according to the saturation curve for a particular refrigerant, a similar procedure can be organized according to the readings of the pressure sensor in the condenser. To increase the reliability of start-up, a control signal for closing / opening a valve can be generated on the basis of duplication of readings of sensors of different types, analysis of their synchronous signals and formulation of relevant criteria.

Claims

Direct-flow naturally-convective cooling device for thermal stabilization of frozen ground with a condenser and horizontal evaporator, characterized in that it is equipped with an automatic start control system, including: one or more electromagnetic sensors for measuring the internal parameters of the device, such as temperature and / or pressure in a condenser, and / or a condensate level sensor in the capacitor; outdoor temperature sensor; sensor signal analyzer and an electromagnetic valve that is mounted in the area between the outlet of the refrigerant stream from the evaporator tube and its entrance to the condenser and which can be triggered by an external control electric signal from the analyzer based on a criterion for comparing the current sensor readings with critical values of internal parameters devices that are installed by calculation or empirically from the condition of preventing the formation of a blocking condensate plug above the Installation of the solenoid valve.