RU2788722C1

RU2788722C1 - Device for cooling permafrost soils

Info

Publication number: RU2788722C1
Application number: RU2022105843A
Authority: RU
Inventors: Александр Леонидович Соболев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "БалтСпецПроект"
Filing date: 2022-03-03
Publication date: 2023-01-24

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: the invention relates to a seasonal cooling device, concerns the issue of cooling permafrost soils for the construction of various facilities in permafrost areas, including a railway line, with a remote location from centralized power supply. The device for cooling permafrost soils includes a heat exchanger for cooling the soil, a heat exchanger for cooling the coolant, an air blower, power source, a circulation pump, connected in a closed circuit with the heat exchanger for cooling the soil, made in the form of a coil horizontally placed in the ground and a heat exchanger for cooling the coolant, made in the form of a radiator with an air blower placed on it. The power source is made in the form of a wind turbine with a shaft. The circulation pump, radiator with the air blower on it and the wind turbine with the shaft are made in one unit to ensure the drive of the circulation pump and the air blower directly from the shaft of the wind turbine.

EFFECT: an increase of the efficiency of the device by reducing energy loss during its functioning through the use of a mechanical drive of the equipment and its optimal layout, as well as by reducing the time spent on cooling the soil, due to its highly efficient cooling in the cold season.

4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к сезоннодействующему охлаждающему устройству, касается вопроса охлаждения вечномерзлых грунтов для строительства различных объектов в районах вечной мерзлоты, в том числе железнодорожной магистрали с удаленным расположением от централизованного электроснабжения.SUBSTANCE: invention relates to a seasonally operating cooling device and concerns the issue of cooling permafrost soils for the construction of various facilities in permafrost areas, including a railway line located remotely from a centralized power supply.

Известна компрессорная система охлаждения для предотвращения разрушения вечной мерзлоты, включающая холодильный агрегат, заглубленный испаритель, обвитый вокруг вертикальной сваи, конденсатор, вентилятор, блок сбора температурных сигналов, центральный блок управления и блок питания. Блок приема сигнала температуры включает датчик температуры, датчик температуры расположен в мерзлом грунте, центральный блок управления включает в себя интеллектуальный термостат, выходная клемма датчика температуры подключена к входу интеллектуального термостата, выходной разъем интеллектуального термостата подключен к компрессору. Кроме того, блок питания включает в себя фотоэлектрическую ветрогенераторную установку, выходная клемма фотоэлектрической ветрогенераторной установки соединена с контроллером электроэнергии, выходная клемма контроллера электроэнергии соединена с инвертором, а выходная клемма терминала соединена со счетчиком электроэнергии, а выходной терминал счетчика электроэнергии соединен с другим входным терминалом интеллектуального термостата. Кроме того, другая выходная клемма контроллера электрической энергии подключена к батарее, а выходная клемма батареи подключена к входной клемме контроллера электрической энергии (патент CN 107724377A) - прототип.Known compressor cooling system to prevent the destruction of permafrost, including a refrigeration unit, an in-depth evaporator wrapped around a vertical pile, a condenser, a fan, a temperature signal collection unit, a central control unit and a power supply unit. The temperature signal receiving unit includes a temperature sensor, the temperature sensor is located in the frozen ground, the central control unit includes an intelligent thermostat, the output terminal of the temperature sensor is connected to the input of the intelligent thermostat, the output terminal of the intelligent thermostat is connected to the compressor. In addition, the power supply includes a photovoltaic wind turbine, an output terminal of the photovoltaic wind generator is connected to an electricity controller, an output terminal of the electricity controller is connected to an inverter, and an output terminal of a terminal is connected to an electricity meter, and an output terminal of the electricity meter is connected to another input terminal of an intelligent thermostat. In addition, the other output terminal of the electrical energy controller is connected to the battery, and the output terminal of the battery is connected to the input terminal of the electrical energy controller (CN patent 107724377A) - prototype.

Технической проблемой известной компрессорной системы охлаждения для предотвращения разрушения вечной мерзлоты является низкая эффективность ее работы, связанная с энергопотерями в электрооборудовании и токопроводящих линиях в процессе ее функционирования, а также связанная с круглогодичным режимом работы, особенно в теплое время года, когда энергопотери значительно увеличиваются в процессе энергоснабжения электрооборудования.The technical problem of the known compressor cooling system to prevent the destruction of permafrost is the low efficiency of its operation, associated with energy losses in electrical equipment and conductive lines during its operation, as well as associated with year-round operation, especially in the warm season, when energy losses increase significantly in the process. power supply of electrical equipment.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение эффективности его работы путем снижения энергопотерь в процессе функционирования, за счет использования механического привода оборудования и его оптимальной компоновки, а также путем снижения затрачиваемого времени на охлаждение грунта за счет его высокоэффективного охлаждения в холодное время года.The technical result of the proposed invention is to increase the efficiency of its operation by reducing energy losses during operation, through the use of a mechanical drive of the equipment and its optimal layout, as well as by reducing the time spent on cooling the soil due to its highly efficient cooling in the cold season.

Технический результат достигается тем, что устройство для захолаживания вечномерзлых грунтов, включающее теплообменный аппарат для охлаждения грунта, теплообменный аппарат для охлаждения теплоносителя, воздухонагнетатель, источник энергии по изобретению, в его состав введен циркуляционный насос, соединенный по замкнутому контуру с теплообменным аппаратом для охлаждения грунта, выполненным в виде горизонтально размещенного в грунте змеевика и теплообменным аппаратом для охлаждения теплоносителя, выполненным в виде радиатора с размещенным на нем воздухонагнетателем, а источник энергии выполнен в виде ветродвигателя с валом, при этом циркуляционный насос, радиатор с размещенным на нем воздухонагнетателем и ветродвигатель с валом выполнены одним блоком, для обеспечения привода циркуляционного насоса и воздухонагнетателя непосредственно от вала ветродвигателя.The technical result is achieved by the fact that the device for cooling down permafrost soils, including a heat exchanger for cooling the soil, a heat exchanger for cooling the coolant, an air blower, an energy source according to the invention, a circulation pump is introduced into its composition, connected in a closed circuit to the heat exchanger for cooling the soil, made in the form of a coil horizontally placed in the ground and a heat exchanger for cooling the coolant, made in the form of a radiator with an air blower placed on it, and the energy source is made in the form of a wind turbine with a shaft, while the circulation pump, the radiator with an air blower placed on it and the wind turbine with a shaft made in one block, to ensure the drive of the circulation pump and the air blower directly from the wind turbine shaft.

Теплообменный аппарат для охлаждения грунта, выполнен в виде горизонтально размещенного в грунте змеевика с оребрением.The heat exchanger for cooling the soil is made in the form of a coil with fins placed horizontally in the soil.

Устройство для захолаживания вечномерзлых грунтов содержит резервный циркуляционный насос, выполненный с устройством включения и выключения функции резервирования.The device for thawing permafrost soils contains a backup circulation pump, made with a device for switching on and off the backup function.

Устройство для захолаживания вечномерзлых грунтов содержит резервный воздухонагнетатель, выполненный с устройством включения и выключения функции резервирования.The device for thawing permafrost soils contains a backup air blower, made with a device for switching on and off the backup function.

Введение в состав устройства для захолаживания вечномерзлых грунтов циркуляционного насоса обеспечивает движение теплоносителя по замкнутому контуру. Выполнение теплообменного аппарата для охлаждения грунта, в виде змеевика размещенного горизонтально в грунте и теплообменного аппарата для охлаждения теплоносителя в виде радиатора с размещенным на нем воздухонагнетателем необходимо для обеспечения охлаждения теплоносителя с последующим охлаждением вечномерзлого грунта. Выполнение источника энергии в виде ветродвигателя с валом, необходимо для преобразования энергии ветра в механическую энергию. Выполнение циркуляционного насоса, радиатора с размещенным на нем воздухонагнетателем и ветродвигателя с валом одним блоком необходимо для обеспечения работы циркуляционного насоса и воздухонагнетателя непосредственно от вала ветродвигателя, благодаря чему достигается снижение потерь энергии в процессе работы оборудования. В результате высокоэффективное охлаждение грунта достигается в совокупности за счет производительности используемого оборудования и применения жидкого теплоносителя, обеспечивающего высокую эффективность теплообмена при взаимодействии с окружающим воздухом и вечномерзлым грунтом в холодное время года, как следствие, обеспечивается температура достаточная для поддержания грунта в охлажденном состоянии в течение теплого времени года, до наступления очередного холодного времени года.The introduction of a circulation pump into the composition of the device for cooling down permafrost soils ensures the movement of the coolant along a closed circuit. Implementation of a heat exchanger for cooling the soil in the form of a coil placed horizontally in the ground and a heat exchanger for cooling the coolant in the form of a radiator with an air blower placed on it is necessary to ensure cooling of the coolant with subsequent cooling of the permafrost soil. The implementation of the energy source in the form of a wind turbine with a shaft is necessary to convert wind energy into mechanical energy. The execution of a circulation pump, a radiator with an air blower placed on it and a wind turbine with a shaft in one block is necessary to ensure the operation of the circulation pump and the air blower directly from the wind turbine shaft, thereby reducing energy losses during the operation of the equipment. As a result, highly efficient soil cooling is achieved in combination due to the performance of the equipment used and the use of a liquid heat carrier that provides high heat transfer efficiency when interacting with the surrounding air and permafrost soil in the cold season, as a result, the temperature is sufficient to maintain the soil in a cooled state during the warm season. season, until the next cold season.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется рисунками, где на фиг. 1 представлен общий вид устройства для захолаживания вечномерзлых грунтов, на фиг. 2 представлен теплообменный аппарат, размещенный в грунте горизонтально в виде змеевика, на фиг. 3 представлена блочная компоновка ветродвигателя с валом, циркуляционного насоса и радиатора с размещенным на нем воздухонагнетателем, на фиг. 4 представлен фрагмент блочной компоновки на фиг. 3.The essence of the invention is illustrated by drawings, where in Fig. 1 shows a general view of the device for chilling permafrost soils, Fig. 2 shows a heat exchanger placed horizontally in the ground in the form of a coil, FIG. 3 shows a block layout of a wind turbine with a shaft, a circulation pump and a radiator with an air blower placed on it, in Fig. 4 shows a fragment of the block layout in Fig. 3.

Устройство для захолаживания вечномерзлых грунтов состоит из ветродвигателя 1 (фиг. 1, 3), циркуляционного насоса 3 (фиг. 4), соединенного по замкнутому контуру (на рисунке не показано) с теплообменным аппаратом, который размещен в грунте 6 (фиг. 1, 2) горизонтально в виде змеевика 2 (фиг. 1, 2) и теплообменным аппаратом, выполненным в виде радиатора 5 (фиг. 1, 3, 4), с воздухонагнетателем 4 (фиг. 3, 4). При этом циркуляционный насос 3, радиатор 5 с воздухонагнетателем 4 и ветродвигатель 1 с валом 11 (фиг. 4) выполнены одним блоком для обеспечения привода циркуляционного насоса 3 и воздухонагнетателя 4 непосредственно от вала 11 ветродвигателя 1.The device for cooling down permafrost soils consists of a wind turbine 1 (Fig. 1, 3), a circulation pump 3 (Fig. 4), connected in a closed circuit (not shown in the figure) with a heat exchanger, which is located in the soil 6 (Fig. 1, 2) horizontally in the form of a coil 2 (Fig. 1, 2) and a heat exchanger made in the form of a radiator 5 (Fig. 1, 3, 4), with an air blower 4 (Fig. 3, 4). At the same time, the circulation pump 3, the radiator 5 with the air blower 4 and the wind turbine 1 with the shaft 11 (Fig. 4) are made in one block to ensure the drive of the circulation pump 3 and the air blower 4 directly from the shaft 11 of the wind turbine 1.

Теплообменный аппарат для охлаждения грунта 6 выполнен в виде горизонтально размещенного в грунте 6 змеевика 2 с оребрением.The heat exchanger for cooling the soil 6 is made in the form of a coil 2 horizontally placed in the soil 6 with fins.

Устройство для захолаживания вечномерзлых грунтов содержит резервный циркуляционный насос 7, выполненный с устройством 9 включения и выключения функции резервирования.The device for thawing permafrost soils contains a backup circulation pump 7, made with a device 9 for switching on and off the backup function.

Устройство для захолаживания вечномерзлых грунтов содержит резервный воздухонагнетатель 8, выполненный с устройством 10 включения и выключения функции резервирования.The device for thawing permafrost soils contains a backup blower 8, made with a device 10 for turning on and off the backup function.

Захолаживание вечномерзлых грунтов осуществляется следующим образом.Cooling of permafrost soils is carried out as follows.

С понижением температуры воздуха до отрицательных значений производят запуск устройства захолаживания вечномерзлых грунтов, предварительно разблокировав вал 11 (фиг. 4) ветродвигателя 1 (фиг. 1, 3), после чего благодаря набегающему потоку воздуха на лопасти винта ветродвигателя 1 он приводится во вращение, обеспечивая вращение вала 11 с последующим приводом циркуляционного насоса 3 (фиг. 4) и воздухонагнетателя 4 (фиг. 3, 4). Циркуляционный насос 3, вращаясь, обеспечивает подачу теплоносителя по замкнутому контуру (на рисунке не показано) от радиатора 5 (фиг. 1, 3, 4) до теплообменного аппарата, который размещен в грунте 6 (фиг. 1, 2) горизонтально в виде змеевика 2 (фиг. 1, 2). С помощью теплоносителя, который подается по змеевику 2, происходит теплообмен между вечномерзлым грунтом 6 и теплоносителем, в результате чего происходит охлаждение грунта 6 и нагрев теплоносителя, который далее подается циркуляционным насосом 3 в радиатор 5 и благодаря процессу теплообмена, который происходит с помощью подачи холодного воздуха через радиатор 5 воздухонагнетателем 4, вращающимся от вала 11 ветродвигателя 1, теплоноситель снова охлаждается. После охлаждения, теплоноситель подается циркуляционным насосом 3 в змеевик 2, таким образом, по данному циклу устройство для захолаживания вечномерзлых грунтов работает в холодное время года при отрицательной температуре воздуха. При наступлении теплого времени года и повышении температуры воздуха до положительных значений, работу устройства захолаживания вечномерзлых грунтов останавливают с последующей блокировкой вала 11 ветродвигателя 1 до наступления очередного холодного времени года, сопровождающегося отрицательным значением температуры воздуха. В результате за период работы устройства для охлаждения вечномерзлых грунтов достигается значительное снижение температуры вечномерзлого грунта, что, как следствие, обеспечивает его устойчивость, в том числе в теплое время года.With a decrease in air temperature to negative values, the device for cooling down permafrost soils is launched, having previously unlocked the shaft 11 (Fig. 4) of the wind turbine 1 (Fig. 1, 3), after which, due to the oncoming air flow on the rotor blades of the wind turbine 1, it is rotated, providing rotation of the shaft 11 followed by the drive of the circulation pump 3 (Fig. 4) and the air blower 4 (Fig. 3, 4). The circulation pump 3, rotating, provides the coolant supply in a closed circuit (not shown in the figure) from the radiator 5 (Fig. 1, 3, 4) to the heat exchanger, which is placed in the ground 6 (Fig. 1, 2) horizontally in the form of a coil 2 (Fig. 1, 2). With the help of the coolant, which is supplied through the coil 2, heat exchange occurs between the permafrost soil 6 and the coolant, as a result of which the soil 6 is cooled and the coolant is heated, which is then supplied by the circulation pump 3 to the radiator 5 and due to the heat exchange process, which occurs by supplying cold air through the radiator 5 by the air blower 4 rotating from the shaft 11 of the wind turbine 1, the coolant is cooled again. After cooling, the coolant is supplied by the circulation pump 3 to the coil 2, thus, according to this cycle, the device for cooling down permafrost soils operates in the cold season at negative air temperatures. When the warm season comes and the air temperature rises to positive values, the operation of the permafrost cooling device is stopped, followed by blocking the shaft 11 of the wind turbine 1 until the next cold season, accompanied by a negative air temperature. As a result, during the period of operation of the device for cooling permafrost, a significant decrease in the temperature of permafrost is achieved, which, as a result, ensures its stability, including in the warm season.

Предлагаемое устройство для охлаждения вечномерзлых грунтов имеет повышенную эффективность работы благодаря использованию механического привода оборудования и его оптимальной компоновки, что обеспечивает снижение энергопотерь в процессе его работы, а также благодаря высокоэффективному охлаждению грунта в холодное время года, что обеспечивает снижение затрачиваемого времени на его охлаждение.The proposed device for cooling permafrost soils has increased efficiency due to the use of a mechanical drive of the equipment and its optimal layout, which reduces energy losses during its operation, as well as due to highly efficient cooling of the soil in the cold season, which reduces the time spent on its cooling.

Claims

1. A device for chilling permafrost soils, including a heat exchanger for cooling the soil, a heat exchanger for cooling the coolant, an air blower, an energy source, characterized in that it includes a circulation pump connected in a closed circuit to a heat exchanger for cooling the soil, made in in the form of a coil horizontally placed in the ground and a heat exchanger for cooling the coolant, made in the form of a radiator with an air blower placed on it, and the energy source is made in the form of a wind turbine with a shaft, while the circulation pump, the radiator with an air blower placed on it and the wind turbine with a shaft are made in one block, to ensure the drive of the circulation pump and the air blower directly from the wind turbine shaft.

2. A device for chilling permafrost soils according to claim 1, characterized in that the heat exchanger for cooling the soil is made in the form of a coil with fins placed horizontally in the soil.

3. A device for thawing permafrost soils according to claim 1, characterized in that the device contains a backup circulation pump, made with a device for turning on and off the backup function.

4. Device for chilling permafrost soils according to claim 1, characterized in that the device contains a backup air blower, made with a device for turning on and off the backup function.