RU2794616C1

RU2794616C1 - Frozen soil stabilization device

Info

Publication number: RU2794616C1
Application number: RU2022128418A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Германович Васильев; Антон Павлович Сальников; Игорь Александрович Леонович; Антон Александрович Джалябов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Газпром добыча Ноябрьск"
Filing date: 2022-11-02
Publication date: 2023-04-24

Abstract

FIELD: construction.

SUBSTANCE: invention relates to devices for cooling and freezing soil used in the construction of engineering structures erected in permafrost areas for cold accumulation at the base of structures. The technical result consists in integration of the use of a mobile alternative source of electricity with simultaneous temperature control of thermoelectric modules depending on the climatic temperature in real time and optimization of the refrigerant temperature with the provision of seasonal use of permanently installed thermosiphons. The technical result is achieved by the fact that the device for stabilizing frozen soils contains underground and ground parts of a tubular sealed housing filled with refrigerant, which are, respectively, an evaporator and a condenser, while the above-ground part of the tubular sealed housing is made detachable and consists of a permanently installed condenser that is constantly in communication with evaporator, and a removable power supply unit and change the temperature of the refrigerant, made in the form of a DC wind turbine with a vertical axis of rotation, the mast of which is mounted on a U-shaped cylindrical glass, on the open lower end of which an adjustable damper is installed with the possibility of periodically placing a condenser in its cavity, moreover, in the cavity of the removable cylindrical cup there are thermoelectric modules in the form of a battery of Peltier elements and temperature sensors installed evenly along the height of the cup, while connected to the generator in voltage stabilizer, which is the output unit of the wind turbine, is connected to one of the inputs of the microcontroller, to the other input of which the outputs of temperature sensors are connected, and its output is connected to the power supply of the Peltier elements to change the current value and, accordingly, the degree of cooling of the refrigerant in the cavity of the removable U-shaped cylindrical glass until reaching a temperature value that ensures the stabilization of the operation of the evaporation and condensation cycle of the refrigerant.

EFFECT: integration of the use of a mobile alternative source of electricity with simultaneous temperature control of thermoelectric modules depending on the climatic temperature in real time and optimization of the refrigerant temperature with the provision of seasonal use of permanently installed thermosiphons.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области строительства, а именно к устройствам для охлаждения и замораживания грунта, используемым при строительстве инженерных сооружений, возводимых в районах вечной мерзлоты для аккумуляции холода в основании сооружений.The invention relates to the field of construction, namely to devices for cooling and freezing soil used in the construction of engineering structures erected in permafrost areas for cold accumulation at the base of structures.

Известно устройство для стабилизации пластично-мерзлых грунтов с круглогодичным режимом работы для аккумуляции холода в основании сооружений, включающее подземную и надземную части трубчатого герметичного корпуса, заполненного хладагентом, подземная часть которого является испарителем, а надземная - конденсатором, снабженным полкой, имеющей расположенные на ее поверхности термоэлектрические модули в виде батареи элементов Пельтье, устройство снабжено тепловой трубой, один конец которой, имеющий полку, присоединен к горячей поверхности термоэлектрических модулей, а другой конец, являющийся зоной конденсации, имеет ребристую поверхность, причем ось зоны конденсации расположена под углом ϕ наклона к горизонту (RU 2405889, 2009 г.).A device is known for stabilizing plastic-frozen soils with a year-round operation for accumulating cold at the base of structures, including the underground and aboveground parts of a tubular sealed housing filled with refrigerant, the underground part of which is an evaporator, and the aboveground part is a condenser equipped with a shelf having located on its surface thermoelectric modules in the form of a battery of Peltier elements, the device is equipped with a heat pipe, one end of which, having a shelf, is connected to the hot surface of thermoelectric modules, and the other end, which is the condensation zone, has a ribbed surface, and the axis of the condensation zone is located at an angle ϕ of inclination to the horizon (RU 2405889, 2009).

Известное устройство предусматривает включение и отключение термоэлектрических модулей, соответственно, в теплый и холодный периоды года.The known device provides for turning on and off thermoelectric modules, respectively, in the warm and cold periods of the year.

К недостаткам известного устройства относятся необходимость наличия постоянного внешнего источника электроэнергии для питания термоэлектрических модулей.The disadvantages of the known device include the need for a constant external source of electricity to power the thermoelectric modules.

Низкая эффективность теплопередачи в зимний период при работе с отключенными модулями Пельтье из-за отсутствия оребрения конденсатора.Low heat transfer efficiency in winter when working with disabled Peltier modules due to the lack of condenser fins.

Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является стабилизатор для пластично-мерзлых грунтов с круглогодичным режимом работы для аккумуляции холода в основании инженерных сооружений, включающий подземную и надземную части трубчатого герметичного корпуса, заполненного хладоагентом, подземная часть которого является испарителем, а надземная - конденсатором, имеющим термоэлектрические модули в виде батареи элементов Пельтье, при этом конденсатор снабжен П-образным стаканом, изготовленным из теплопроводного материала, внутренняя поверхность которого имеет конфигурацию, соответствующую конфигурации наружной поверхности конденсатора, и указанный стакан установлен на верхнюю часть конденсатора с возможностью вертикального перемещения и фиксации, а термоэлектрические модули расположены на наружной поверхности П-образного стакана (RU 2231595, 2002 г.)Of the known technical solutions, the closest to the proposed invention in terms of technical essence and the achieved result is a stabilizer for plastic-frozen soils with a year-round operation for accumulating cold at the base of engineering structures, including the underground and above-ground parts of a tubular sealed housing filled with a refrigerant, the underground part of which is evaporator, and the above-ground - a condenser having thermoelectric modules in the form of a battery of Peltier elements, while the condenser is equipped with a U-shaped cup made of a heat-conducting material, the inner surface of which has a configuration corresponding to the configuration of the outer surface of the condenser, and the specified cup is installed on the upper part of the condenser with the possibility of vertical movement and fixation, and thermoelectric modules are located on the outer surface of the U-shaped cup (RU 2231595, 2002)

Описанное устройство также предусматривает включение и отключение термоэлектрических модулей, соответственно, в теплый и холодный периоды года.The described device also provides for turning on and off thermoelectric modules, respectively, in the warm and cold periods of the year.

При этом стабилизатор устанавливается стационарно в основании инженерных сооружений с круглогодичным режимом работы.In this case, the stabilizer is installed permanently at the base of engineering structures with a year-round operation.

К недостаткам известного устройства относится необходимость наличия постоянного внешнего источника электроэнергии для питания термоэлектрических модулей.The disadvantages of the known device include the need for a constant external source of electricity to power the thermoelectric modules.

Температура термоэлектрических модулей в летнее время поддерживается на постоянном значении и не предусмотрено ее изменение в зависимости от климатической температуры, следствием чего является неконтролируемые колебания температуры хладагента, что в свою очередь отражается на параметрах стабилизации грунтов, в частности, может вызвать размораживание грунта, его проседание и, соответственно, неустойчивость инженерных сооружений.The temperature of thermoelectric modules in summer is maintained at a constant value and its change depending on the climatic temperature is not provided, resulting in uncontrolled fluctuations in the temperature of the refrigerant, which in turn affects the parameters of soil stabilization, in particular, can cause soil defrosting, its subsidence and , respectively, the instability of engineering structures.

Кроме того, размещение батареи элементов Пельтье снаружи корпуса снижает эффективность генерации холода из-за контакта модулей с внешней средой за счет рассеивания тепла в атмосферу.In addition, placing the battery of Peltier elements outside the case reduces the efficiency of cold generation due to the contact of the modules with the external environment due to heat dissipation into the atmosphere.

Технической проблемой, решаемой предлагаемым изобретением, является создание мобильного устройства для стабилизации мерзлых грунтов в летний период, работающего от альтернативного источника электроэнергии и обеспечивающего исключение неконтролируемых колебаний температуры хладагента.The technical problem solved by the invention is the creation of a mobile device for stabilizing frozen soils in summer, operating from an alternative source of electricity and ensuring the exclusion of uncontrolled fluctuations in the temperature of the refrigerant.

Указанная техническая проблема решается тем, что устройство для стабилизации мерзлых грунтов содержит подземную и наземную части трубчатого герметичного корпуса, заполненного хладагентом, являющимися, соответственно, испарителем и конденсатором, при этом надземная часть трубчатого герметичного корпуса выполнена разъемной и состоит из стационарно установленного конденсатора, постоянно сообщающегося с испарителем, и съемного блока энергопитания и изменения температуры хладагента, выполненного в виде ветроэлектроустановки постоянного тока с вертикальной осью вращения, мачта которого установлена на П-образном цилиндрическом стакане, на открытом нижнем торце которого установлена регулируемая заслонка с обеспечением возможности периодического размещения в его полости конденсатора, причем в полости съемного цилиндрического стакана размещены термоэлектрические модули в виде батареи элементов Пельтье и установленные равномерно по высоте стакана датчики температуры, при этом подключенный к генератору ветроэлектроустановки постоянного тока стабилизатор напряжения, являющийся выходным блоком ветроэлектроустановки, подключен к одному из входов микроконтроллера, к другому входу которого подсоединены выходы датчиков температуры, а его выход подсоединен к блоку питания элементов Пельтье для изменения величины тока и, соответственно, степени охлаждения хладагента в полости съемного П-образного цилиндрического стакана до достижения значения температуры, обеспечивающей стабилизацию работы испарительно- конденсационного цикла хладагента.This technical problem is solved by the fact that the device for stabilizing frozen soils contains underground and ground parts of a tubular sealed body filled with refrigerant, which are, respectively, an evaporator and a condenser, while the above-ground part of the tubular sealed body is made detachable and consists of a permanently installed condenser, constantly communicating with an evaporator, and a removable power supply unit and a change in the temperature of the refrigerant, made in the form of a DC wind turbine with a vertical axis of rotation, the mast of which is mounted on a U-shaped cylindrical glass, on the open lower end of which an adjustable damper is installed with the possibility of periodically placing a condenser in its cavity , and in the cavity of the removable cylindrical cup there are thermoelectric modules in the form of a battery of Peltier elements and temperature sensors installed evenly along the height of the cup, while the voltage regulator connected to the generator of the wind power plant, which is the output unit of the wind power plant, is connected to one of the inputs of the microcontroller, to the other input of which the outputs of temperature sensors are connected, and its output is connected to the power supply unit of the Peltier elements to change the magnitude of the current and, accordingly, the degree of cooling of the refrigerant in the cavity of the removable U-shaped cylindrical cup until a temperature value is reached that ensures the stabilization of the operation of the evaporation-condensation cycle of the refrigerant.

Достигаемый технический результат заключается в комплексировании использования мобильного альтернативного источника электроэнергии с одновременным регулированием температуры термоэлектрических модулей в зависимости от климатической температуры в реальном режиме времени и оптимизацией температуры хладагента с обеспечением сезонного использования стационарно установленных термосифонов.The achieved technical result consists in combining the use of a mobile alternative source of electricity with simultaneous temperature control of thermoelectric modules depending on the climatic temperature in real time and optimization of the refrigerant temperature with the provision of seasonal use of permanently installed thermosyphons.

Сущность устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид устройства в сборном состоянии, на фиг. 2 показан общий вид устройства в разборном состоянии со съемным блоком энергопитания и изменения температуры хладагента, на фиг. 3 приведена блок-схема регулирования температуры элементов Пельтье, на фиг. 4приведена схема монтажа -демонтажа съемного блока энергопитания и изменения температуры хладагента с надземной частью стабилизатора.The essence of the device is illustrated by drawings, where in Fig. 1 shows a general view of the device in the assembled state, in Fig. 2 shows a general view of the device in a collapsible state with a removable power supply unit and changes in the temperature of the refrigerant, in Fig. 3 shows a block diagram of the temperature control of the Peltier elements, FIG. 4 shows the installation-dismantling scheme of the removable power supply unit and changing the temperature of the refrigerant with the above-ground part of the stabilizer.

Предлагаемое устройство для стабилизации мерзлых грунтов содержит подземную 1 и надземную 2 части трубчатого герметичного корпуса 3, заполненного хладагентом, являющимися, соответственно, испарителем и конденсатором. Надземная часть 2 трубчатого герметичного корпуса 3 выполнена разъемной и состоит из стационарно установленного конденсатора 4, заполненного хладагентом, постоянно сообщающегося с испарителем 1, и съемного блока энергопитания и изменения температуры хладагента 5.The proposed device for stabilizing frozen soils contains underground 1 and above ground 2 parts of a tubular sealed housing 3 filled with a refrigerant, which are, respectively, an evaporator and a condenser. The above-ground part 2 of the tubular sealed housing 3 is detachable and consists of a permanently installed condenser 4 filled with refrigerant, constantly communicating with the evaporator 1, and a removable power supply unit and changing the temperature of the refrigerant 5.

Съемный блока энергопитания и изменения температуры хладагента 5 выполнен в виде ветроэлектроустановки(ветрогенератора)постоянного тока с вертикальной осью вращения 6, мачта 7 которого установлена на П-образном цилиндрическом стакане 8, на открытом нижнем торце которого установлена регулируемая заслонка 9.The removable power supply unit and refrigerant temperature change 5 is made in the form of a DC wind turbine (wind generator) with a vertical axis of rotation 6, the mast 7 of which is mounted on a U-shaped cylindrical cup 8, on the open lower end of which an adjustable damper 9 is installed.

В полости съемного П-образного цилиндрического стакана 8 на его внутренней боковой поверхности размещены термоэлектрические модули в виде батареи элементов Пельтье 10, причем их горячая сторона прикреплена к поверхности стакана 8, а холодной стороной они обращены к его внутренней полости.In the cavity of the removable U-shaped cylindrical cup 8, on its inner side surface, there are thermoelectric modules in the form of a battery of Peltier elements 10, their hot side being attached to the cup surface 8, and their cold side facing its inner cavity.

По высоте П-образного цилиндрического стакана 8 равномерно установлены датчики температуры 11.Temperature sensors 11 are evenly installed along the height of the U-shaped cylindrical cup 8.

Генератор 12 ветроэлектроустановки постоянного тока 6, подсоединен к стабилизатору напряжения 13, являющимся выходным блоком ветроэлектроустановки 6. Стабилизатор 13 подключен к одному из входов микроконтроллера 14, к другому входу которого подсоединены выходы датчиков температуры 11, а его выход подсоединен к блоку питания элементов Пельтье 10 (фиг. 3).The generator 12 of the DC wind turbine 6 is connected to the voltage stabilizer 13, which is the output unit of the wind turbine 6. The stabilizer 13 is connected to one of the inputs of the microcontroller 14, to the other input of which the outputs of the temperature sensors 11 are connected, and its output is connected to the power supply of the Peltier elements 10 ( Fig. 3).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device works as follows.

В теплый период года, когда среднесуточная температура воздуха становится выше температуры грунта, на стационарно установленный конденсатор 4 термосифона, устанавливается съемный блок энергопитания и изменения температуры хладагента 5.In the warm period of the year, when the average daily air temperature becomes higher than the ground temperature, a removable power supply unit and changes in the temperature of the refrigerant 5 are installed on the permanently installed thermosyphon condenser 4.

Регулируемая заслонка 9 закрывается и образуется замкнутая надземная часть, в которой с помощью элементом Пельтье 10 поддерживается отрицательная температура.The adjustable damper 9 closes and a closed above-ground part is formed, in which a negative temperature is maintained with the help of the Peltier element 10.

Под воздействием естественного потока ветра ветрогенератор постоянного тока с вертикальной осью вращения 6 начинает вырабатывать электроэнергию. Стабилизатор напряжения 13, подключенный к генератору 12 ветроэлектроустановки, через микроконтроллер 14 подает питание на элементы Пельтье 10. Микроконтроллер 14 формирует сигнал для изменения температуры элементов Пельтье 10 по критерию минимизации текущей температуры в реальном режиме времени.Under the influence of the natural wind flow, the DC wind generator with a vertical axis of rotation 6 begins to generate electricity. The voltage stabilizer 13, connected to the wind turbine generator 12, supplies power to the Peltier elements 10 through the microcontroller 14. The microcontroller 14 generates a signal to change the temperature of the Peltier elements 10 according to the criterion of minimizing the current temperature in real time.

Понижение температуры внутри съемного блока энергопитания и изменения температуры хладагента 5 обеспечивает работу испарительно-конденсационного цикла хладагента и понижение температуры испарителя 1 и прилегающих к нему слоев грунта. Тепло, выделяющееся на горячей поверхности термоэлектрических модулей 10, передается на цилиндрического стакана 8 и с него рассеивается в окружающую среду.Lowering the temperature inside the removable power supply unit and changing the temperature of the refrigerant 5 ensures the operation of the evaporation-condensation cycle of the refrigerant and lowering the temperature of the evaporator 1 and adjacent soil layers. The heat released on the hot surface of the thermoelectric modules 10 is transferred to the cylindrical cup 8 and dissipated from it into the environment.

Охлажденный термоэлектрическими модулями 10 хладагент в конденсаторе 4конденсируется на внутренних поверхностях, под действием силы тяжести хладагент опускается вдоль стенок испарителя, нагревается за счет отбора тепла окружающего грунта и испаряется, поднимаясь в конденсатор 4. Происходит естественная циркуляция, охлаждение и замораживание массива грунта.Cooled by thermoelectric modules 10, the refrigerant in condenser 4 condenses on internal surfaces, under the action of gravity, the refrigerant descends along the walls of the evaporator, heats up due to the removal of heat from the surrounding soil and evaporates, rising into condenser 4. Natural circulation, cooling and freezing of the soil mass occur.

Таким образом, изменение температуры в полости П-образного цилиндрического стакана 8 происходит за счет изменения температуры, формируемой по заданному значению от микроконтроллера 14, который формирует сигнал с коррекцией по значению средней температуры от датчиков температуры 11.Thus, the change in temperature in the cavity of the U-shaped cylindrical cup 8 occurs due to the change in temperature generated according to the set value from the microcontroller 14, which generates a signal with a correction according to the value of the average temperature from the temperature sensors 11.

Происходит изменение величины тока и, соответственно, степени охлаждения элементов Пельтье 10, которые в свою очередь охлаждают полость съемного П-образного цилиндрического стакана до достижения значения температуры, обеспечивающей стабилизацию работы испарительно-конденсационного цикла хладагента, т.е. до достижения температуры конденсатора ниже, чем температура мерзлого грунта.There is a change in the magnitude of the current and, accordingly, the degree of cooling of the Peltier elements 10, which, in turn, cool the cavity of the removable U-shaped cylindrical cup until a temperature value is reached that ensures the stabilization of the operation of the evaporation-condensation cycle of the refrigerant, i.e. until the condenser temperature is lower than the frozen ground temperature.

На внешней боковой поверхности корпуса П-образного цилиндрического стакана 8 может быть установлена терморубашка (на фиг. не показана), выполненная в виде оребрения и предназначенная для повышения эффективности теплоотвода с поверхности стакана 8.A thermal jacket (not shown in Fig.) made in the form of fins and designed to increase the efficiency of heat removal from the surface of the cup 8 can be installed on the outer side surface of the body of the U-shaped cylindrical cup 8.

В холодный период года, когда среднесуточная температура воздуха ниже температуры грунта, съемный блок энергопитания и изменения температуры хладагента 5 снимают с конденсатора 2 и устройство функционирует без термоэлектрических модулей 10 за счет естественного холода окружающей среды.In the cold period of the year, when the average daily air temperature is below the ground temperature, the removable power supply unit and changes in the temperature of the refrigerant 5 are removed from the condenser 2 and the device operates without thermoelectric modules 10 due to the natural cold of the environment.

Монтаж и демонтаж съемного блока энергопитания и изменения температуры хладагента 5 производят с использованием средств малой механизации таким образом, чтобы не повредить оребрение конденсатора 2 (фиг. 4).Mounting and dismantling of the removable power supply unit and changing the temperature of the refrigerant 5 is carried out using small-scale mechanization in such a way as not to damage the fins of the condenser 2 (Fig. 4).

Предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность работы эксплуатируемых сезонно действующих охлаждающих устройств (термосифонов) в летний период (период с температурой окружающего воздуха выше, чем температура мерзлого грунта) без внесения в конструкцию термосифонов изменений и необходимости устройства постоянно действующих систем подачи и охлаждения хладагента.The present invention makes it possible to increase the efficiency of operation of seasonally operating cooling devices (thermosyphons) in the summer period (a period with an ambient temperature higher than the temperature of frozen ground) without making changes to the design of thermosyphons and the need to install permanently operating systems for supplying and cooling the refrigerant.

Предлагаемое устройство обеспечивает возможность сезонного применения в летний период для любых термосифонов, уже находящихся в эксплуатации, с различными конструктивными решениями конденсаторов. В осенний период устройство снимается с термосифона, и на протяжении зимнего периода термосифон продолжает функционировать в обычном режиме, при этом отсутствует необходимость внесения изменений в конструкцию термосифона.The proposed device provides the possibility of seasonal use in the summer for any thermosyphons already in operation, with various design solutions for capacitors. During the autumn period, the device is removed from the thermosyphon, and during the winter period the thermosiphon continues to function normally, without the need to make changes to the thermosiphon design.

Благодаря применению индивидуального источника энергии - ветрогенератора с вертикальной осью отсутствует необходимость в централизованном электроснабжении. Замена постоянного источника питания обусловлена тем, что существующие термосифоны устроены в местах без постоянного электроснабжения.Thanks to the use of an individual energy source - a vertical axis wind generator, there is no need for a centralized power supply. The replacement of a permanent power supply is due to the fact that the existing thermosyphons are located in places without a permanent power supply.

Claims

A device for stabilizing frozen soils, characterized in that it contains underground and aboveground parts of a tubular sealed body filled with refrigerant, which are, respectively, an evaporator and a condenser, while the aboveground part of the tubular sealed body is detachable and consists of a permanently installed condenser in constant communication with evaporator, and a removable power supply unit and change the temperature of the refrigerant, made in the form of a DC wind turbine with a vertical axis of rotation, the mast of which is mounted on a U-shaped cylindrical glass, on the open lower end of which an adjustable damper is installed with the possibility of periodically placing a condenser in its cavity, moreover, thermoelectric modules in the form of a battery of Peltier elements and temperature sensors installed evenly along the height of the cup are placed in the cavity of the removable cylindrical cup, while the voltage stabilizer connected to the generator of the wind power plant, which is the output unit of the wind power plant, is connected to one of the inputs of the microcontroller, to the other input of which the outputs of the temperature sensors are connected, and its output is connected to the power supply of the Peltier elements to change the magnitude of the current and, accordingly, the degree of cooling of the refrigerant in the cavity of the removable U-shaped cylindrical cup until a temperature value is reached that ensures the stabilization of the operation of the evaporation-condensation cycle of the refrigerant.