RU2795010C2

RU2795010C2 - Soil freezing method and device for its implementation

Info

Publication number: RU2795010C2
Application number: RU2021113991A
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Сафонов; Николай Николаевич Дьяков; Александр Вадимович Холопцев; Сергей Анатольевич Жиляев; Александр Александрович Белогудов
Filing date: 2021-05-17
Publication date: 2023-04-27

Abstract

FIELD: soil freezing.

SUBSTANCE: invention relates to the freezing of soil under the supports of gas pipelines and oil pipelines, power lines and other structures in the North in hard-to-reach areas. The method of freezing the soil with an air stream consists in exposing it to a chilled stream. The wind flow acts on the rotor of the wind turbine, the torque of which is transferred to the compressor, the compressed air from which is sent to the heat exchanger, where it is cooled by ambient air and sent further to the inlet of the vortex tube, where it is separated into hot and cold flows. The cold flow is sent to freeze the soil into the second heat exchanger located on the ground or in it, and after the heat exchanger, the cold and hot flows after the vortex tube are sent to the atmosphere.

EFFECT: providing a simplification of the design, as well as maintenance.

6 cl, 3 dwg

Description

Изменение климата сказывается не только в южных районах потеплением в значительных регионах, но и потеплением в районах вечной мерзлоты. Это приводит к оттаиванию поверхностного слоя грунта. При нахождении строений на мерзлом грунте это может привести к их проседанию и разрушению. Примером может быть разрушение фундамента нефтехранилища на Таймыре. Сохранение мерзлоты в летнее время нужно и для опор под газопроводами и нефтепроводами и другими сооружениями, находящимися в безлюдных местах. Охлаждение грунта осуществляется в таких случаях с помощью жидкого азота [1] или сложных и дорогих холодильных машин, содержащих компрессор и сложное холодильное парокомпрессионное устройство [2]. Кроме этого необходимо иметь источник электроэнергии для привода компрессора, что усложняет конструкцию, требует затраты дополнительной энергии и технического обслуживания. Climate change affects not only the southern regions by warming in large regions, but also by warming in permafrost regions. This leads to thawing of the surface layer of the soil. When buildings are found on frozen ground, this can lead to their subsidence and destruction. An example would be the destruction of the foundation of an oil storage facility in Taimyr. Preservation of permafrost in the summer is also necessary for supports under gas pipelines and oil pipelines and other structures located in deserted places. Soil cooling is carried out in such cases using liquid nitrogen [1] or complex and expensive refrigeration machines containing a compressor and a complex refrigeration vapor compression device [2]. In addition, it is necessary to have a source of electricity to drive the compressor, which complicates the design, requires additional energy and maintenance.

Для упрощения конструкции, технического обслуживания целесообразно охлаждение осуществить по предлагаемому способу замораживания грунта, заключающемуся в подаче ветрового потока на ветроустановку, крутящий момент которой передают на электрогенератор и компрессор, сжатый воздух которого направляют в теплообменник, где его охлаждают окружающим воздухом и направляют далее на вход вихревой трубы, где он дополнительно охлаждается, а холодный поток после теплообменника и горячий поток вихревой трубы выбрасывают в атмосферу, а на вход компрессора подают воздух из атмосферы.To simplify the design and maintenance, it is advisable to carry out cooling according to the proposed method of freezing the soil, which consists in supplying a wind flow to a wind turbine, the torque of which is transmitted to an electric generator and a compressor, the compressed air of which is sent to a heat exchanger, where it is cooled by ambient air and sent further to the vortex inlet. pipes, where it is additionally cooled, and the cold stream after the heat exchanger and the hot stream of the vortex tube are thrown into the atmosphere, and air from the atmosphere is supplied to the compressor inlet.

Холодный поток может охлаждать грунт и без теплообменника посредством обдува поверхности грунта.The cold flow can cool the soil even without a heat exchanger by blowing the soil surface.

Для повышения эффективности холодный поток после теплообменника подают на вход цилиндра компрессора высокой степени сжатия, а горячий поток направляют в дополнительный теплообменник, установленный вверху, охлаждаемый окружающим воздухом, после чего, охладившийся в теплообменнике горячий поток, направляют в цилиндр компрессора низкой степени сжатия, а после сжатия в обоих цилиндрах воздух направляют в теплообменник, следующий за компрессором.To improve efficiency, the cold flow after the heat exchanger is fed to the inlet of the compressor cylinder of a high compression ratio, and the hot flow is sent to an additional heat exchanger installed at the top, cooled by ambient air, after which the hot stream cooled in the heat exchanger is sent to the compressor cylinder of a low compression ratio, and after compression in both cylinders, the air is sent to the heat exchanger following the compressor.

Таким образом, подогретый в теплообменнике холодный поток и горячий поток вихревой трубы испытывают действие подъемной силы перед поступлением в компрессор, что уменьшает его потребляемую мощность за счет тепловой энергии, потребляемой из теплообменника, расположенного в земле, и тепловой энергии горячего потока, полученной при разделении энергии в вихревой трубе.Thus, the cold flow heated in the heat exchanger and the hot flow of the vortex tube experience a lifting force before entering the compressor, which reduces its power consumption due to the thermal energy consumed from the heat exchanger located in the ground and the thermal energy of the hot flow obtained by separating the energy in a vortex tube.

В холодное время компрессор отключают и ветроустановка может работать на электрогенератор. При значительной мощности ветроустановки она может одновременно работать на компрессор и электрогенератор.In cold weather, the compressor is turned off and the wind turbine can work on an electric generator. With a significant capacity of the wind turbine, it can simultaneously work on a compressor and an electric generator.

Для осуществления способа предлагается устройство для замораживания грунта.To implement the method, a device for freezing soil is proposed.

На фиг. 1 показано устройство вихревой трубы. Она содержит сопло 1, дроссель 2, патрубок горячего потока 3, диафрагму 4.In FIG. 1 shows the device of the vortex tube. It contains a nozzle 1, a throttle 2, a hot flow nozzle 3, a diaphragm 4.

Работает вихревая труба следующим образом. Сжатый воздух поступает в тангенциальное сопло 1, где он закручивается и разделяется на охлажденный осевой и горячий пристеночный поток. Температура холодного потока регулируется дросселем 2. При открытии дросселя уменьшается температура обоих потоков. Холодный поток выходит в атмосферу через диафрагму 4. Горячий - через дроссель 2.The vortex tube works as follows. Compressed air enters the tangential nozzle 1, where it swirls and separates into a cooled axial and hot near-wall flow. The temperature of the cold stream is controlled by throttle 2. When the throttle is opened, the temperature of both streams decreases. The cold flow exits into the atmosphere through the diaphragm 4. Hot - through the throttle 2.

На фиг. 2 показано устройство для замораживания грунта холодным потоком воздуха вихревой трубы с выбросом горячего потока в атмосферу. Оно содержит ротор 5, мультипликатор 6, муфты 7, 8, 9, компрессор 10, теплообменник №1 11, вихревую трубу 12 с диафрагмой 4 с дросселем 2 и патрубком холодного потока 13, теплообменника №2 14, трубопровод 15, электрогенератор 16. Работает устройство по фиг. 2 следующим образом по трем вариантам: работает только компрессор без электрогенератора. Воздушный поток вращает ротор 5, крутящий момент которого передается через мультипликатор 6 и муфты 7 и 8 на генератор 16 и компрессор 10, который сжимает воздух. Этот воздух поступает в теплообменник 11, где охлаждается атмосферным воздухом и поступает далее в вихревую трубу 12, где разделяется на охлажденный и горячий потоки. Охлажденный поток, с температурой значительно ниже ноля, через диафрагму 4 и патрубком холодного потока 13 поступает в теплообменник 14, где отбирает тепло от грунта и, имея еще отрицательную температуру, по трубопроводу 15 поступает на вход в компрессор 10, как и атмосферный воздух, и далее сжимается. Подача холодного воздуха в компрессор повышает его эффективность. Горячий поток через дроссель 2 выбрасывается в атмосферу.In FIG. 2 shows a device for freezing soil with a cold air flow of a vortex tube with the release of a hot flow into the atmosphere. It contains a rotor 5, a multiplier 6, clutches 7, 8, 9, a compressor 10, a heat exchanger No. 1 11, a vortex tube 12 with a diaphragm 4 with a throttle 2 and a cold flow pipe 13, a heat exchanger No. 2 14, a pipeline 15, an electric generator 16. Works the device according to Fig. 2 as follows in three cases: only the compressor works without the electric generator. The air flow rotates the rotor 5, the torque of which is transmitted through the multiplier 6 and clutches 7 and 8 to the generator 16 and the compressor 10, which compresses the air. This air enters the heat exchanger 11, where it is cooled by atmospheric air and then enters the vortex tube 12, where it is divided into cooled and hot streams. The cooled flow, with a temperature well below zero, through the diaphragm 4 and the cold flow pipe 13 enters the heat exchanger 14, where it removes heat from the ground and, having still a negative temperature, enters the compressor 10 through the pipeline 15, as well as atmospheric air, and further compressed. The supply of cold air to the compressor increases its efficiency. The hot flow through the throttle 2 is released into the atmosphere.

При достаточной мощности ВУ может работать компрессор и электрогенератор. При этом муфта 9 разъединяется.With sufficient power of the WU, a compressor and an electric generator can operate. When this clutch 9 is disconnected.

В зимнее время муфтами 7 и 9 компрессор 10 отключается и ротор вращает только электрогенератор 16, который подает электроэнергию потребителям или на аккумуляторы. При питании электрогенератора от внешнего источника энергии (или аккумулятора) муфты 7, 8 отключаются.In winter, clutches 7 and 9 turn off the compressor 10 and the rotor rotates only the electric generator 16, which supplies electricity to consumers or batteries. When the generator is powered from an external energy source (or battery), the clutches 7, 8 are disabled.

На фиг. 3 показано устройство для замораживания грунта холодным потоком воздуха вихревой трубы с повторным использованием давления горячего потока в компрессоре. Оно содержит ротор 5, мультипликатор 6, муфты 7, 8, 9, компрессор 10, теплообменник №1 11, вихревую трубу 12 с диафрагмой 4, дросселем 2, патрубком горячего потока 3, холодного потока 13, теплообменник №3 17 цилиндра компрессора высокой степени сжатия 18, цилиндр низкой степени сжатия 19, камеру смешения воздуха из обоих цилиндров 20, трубопровод 15, электрогенератор 16. Ротор 5 ветроустановки соединен мультипликатором 6 посредством муфты 7 с электрогенератором 16 и другой муфтой 9 - с компрессором 10, установленном вверху, который трубопроводом соединен с теплообменником №1 11, установленном вверху и следующей за ним вихревой трубой 12, установленной внизу. Теплообменник №3 17 сообщается с цилиндром низкой степени сжатия 19 и патрубком горячего потока через дроссель 2. Теплообменник №2 14 сообщается с вихревой трубой 12 через диафрагму 4 и трубопровод 15. Для повышения эффективности выход холодного потока после теплообменника №2 14 может быть соединен трубопроводом с цилиндром компрессора высокой степени сжатия 18, а патрубок горячего потока через дроссель 2 соединен со вторым дополнительным теплообменником №3 17, который далее соединен с цилиндром компрессора низкой степени сжатия.In FIG. 3 shows a device for freezing soil with a cold air flow of a vortex tube with reuse of the pressure of the hot flow in the compressor. It contains a rotor 5, a multiplier 6, clutches 7, 8, 9, a compressor 10, a heat exchanger No. 1 11, a vortex tube 12 with a diaphragm 4, a throttle 2, a hot flow pipe 3, a cold flow 13, a high degree compressor cylinder heat exchanger No. 3 17 compression 18, a low compression cylinder 19, an air mixing chamber from both cylinders 20, a pipeline 15, an electric generator 16. The rotor 5 of the wind turbine is connected by a multiplier 6 through a clutch 7 with an electric generator 16 and another clutch 9 - with a compressor 10 installed at the top, which is connected by a pipeline with heat exchanger No. 1 11 installed at the top and followed by a vortex tube 12 installed at the bottom. Heat exchanger #3 17 communicates with low compression cylinder 19 and hot flow nozzle through throttle 2. Heat exchanger #2 14 communicates with swirl tube 12 through diaphragm 4 and conduit 15. To improve efficiency, the cold flow outlet after heat exchanger #2 14 can be connected by pipeline with the high compression compressor cylinder 18, and the hot flow pipe through the throttle 2 is connected to the second additional heat exchanger No. 3 17, which is further connected to the low compression compressor cylinder.

Работает устройство по фиг. 3, как и по фиг. 2, следующим образом по трем вариантам: без использования электрогенератора; с использованием компрессора и электрогенератора; работа только электрогенератора без компрессора. На севере ветры имеются значительный период времени. При работе без использования электрогенератора: ветер вращает ротор 5 ветроустановки (ВУ), соединенный мультипликатором 6 через муфту 7 с компрессором 10. Электрогенератор отключен муфтами 8 и 9 Компрессор 10 сжимает воздух до давления 3-5 атм, который поступает в теплообменник №1 11, где он охлаждается наружным воздухом до температуры окружающей среды, после чего по трубопроводу поступает на вход вихревой трубы 12, где при вращении он разделяется на холодный и горячий потоки. Холодный поток температурой около (-20) - (-30)°С поступает в теплообменник №2 14, расположенный в грунте или на нем, после которого поступает в цилиндр высокой степени сжатия 18, а горячий поток, имеющий давление более высокое (порядка 1-1,5 атм), чем холодный поток, поступает в теплообменник №3 17, установленный вверху, где он охлаждается наружным воздухом до температуры окружающей среды и далее направляется в цилиндр компрессора низкой степени сжатия 19, где он сжимается и далее, совместно со сжатым холодным потоком поступает в теплообменник №1 11, где охлаждается до температуры окружающей среды. Холодный поток после теплообменника №2 14 имеет температуру, более низкую, чем окружающий воздух, около (-3) - (-5)°С, поэтому его низкий температурный потенциал целесообразно сохранить для уменьшения работы на компрессоре при сжатии.The device according to Fig. 3, as in FIG. 2, as follows for three options: without the use of an electric generator; using a compressor and an electric generator; operation of the generator only, without the compressor. In the north there are winds for a significant period of time. When working without the use of an electric generator: the wind rotates the rotor 5 of the wind turbine (VU), connected by a multiplier 6 through a clutch 7 with a compressor 10. The electric generator is turned off by clutches 8 and 9 Compressor 10 compresses the air to a pressure of 3-5 atm, which enters the heat exchanger No. 1 11, where it is cooled by outside air to ambient temperature, after which it enters the vortex tube 12 through the pipeline, where, during rotation, it is divided into cold and hot streams. A cold stream with a temperature of about (-20) - (-30) ° C enters the heat exchanger No. 2 14, located in the ground or on it, after which it enters the high compression cylinder 18, and the hot stream, which has a higher pressure (about 1 -1.5 atm) than the cold stream enters the heat exchanger No. 3 17, installed at the top, where it is cooled by outside air to ambient temperature and then sent to the compressor cylinder with a low compression ratio 19, where it is compressed further, together with the compressed cold flow enters the heat exchanger No. 1 11, where it is cooled to ambient temperature. The cold stream after the heat exchanger No. 2 14 has a temperature lower than the ambient air, about (-3) - (-5) ° C, so it is advisable to keep its low temperature potential to reduce the work on the compressor during compression.

В летнее время может работать и электрогенератор 16 и компрессор 10 при разъединенной муфте 9.In summer, both the electric generator 16 and the compressor 10 can operate with the clutch 9 disconnected.

В холодное время года компрессор отключается с помощью муфт 7, 9 и работает только электрогенератор 16.In the cold season, the compressor is turned off using clutches 7, 9 and only the electric generator 16 works.

Ввиду инерционности тепловых процессов в грунте, не равномерность ветрового потока не скажется на общем состоянии мерзлого грунта. При слабом ветре может быть уменьшена потребляемая электрическая мощность или генератор может быть совсем отключен муфтами 8 и 9, а ротор будет вращать только компрессор через муфту 7.Due to the inertia of thermal processes in the soil, the non-uniformity of the wind flow will not affect the general state of the frozen soil. When the wind is weak, the electrical power consumed can be reduced or the generator can be completely turned off by clutches 8 and 9, and the rotor will only rotate the compressor through clutch 7.

При отсутствии ветра генератор может питаться от внешнего источника питания при разъединенных муфтах 7, 8 и вращать компрессор 10, работая в режиме двигателя.In the absence of wind, the generator can be powered from an external power source with disconnected clutches 7, 8 and rotate the compressor 10, operating in the engine mode.

Отличительной особенностью такого способа является то, что помимо отвода тепла после компрессора, как это имеет место в обычных парокомпрессионных установках, получаем дополнительный отвод тепла из системы от горячего потока вихревой трубы, что повышает эффективность отвода тепла. Горячая часть вихревой трубы также может охлаждаться наружным воздухом, что повысит ее эффективность.A distinctive feature of this method is that in addition to removing heat after the compressor, as is the case in conventional vapor compression plants, we obtain additional heat removal from the system from the hot flow of the vortex tube, which increases the efficiency of heat removal. The hot part of the vortex tube can also be cooled by outside air, which will increase its efficiency.

Энергия, получаемая от грунта холодным потоком, повышает температуру воздуха (или другого агента), уменьшает его плотность, что создает дополнительно подъемную силу, уменьшая мощность компрессора на всасывание.The energy received from the ground by a cold stream raises the temperature of the air (or other agent), reduces its density, which creates an additional lifting force, reducing the suction power of the compressor.

Такое устройство будет полезно для замораживания грунта под опорами газопроводов, линий ЛЭП и прочими сооружениями на Севере в труднодоступных районах, где оно будет работать без ежедневного технического ухода. Особо целесообразно его применение при использовании центробежных компрессоров, не требующих постоянного надзора и ухода.Such a device will be useful for freezing the soil under the supports of gas pipelines, power lines and other structures in the North in hard-to-reach areas, where it will work without daily maintenance. It is especially advisable to use it when using centrifugal compressors that do not require constant supervision and maintenance.

Использованные источники:Used sources:

1. Власов С.Н., Торгалов В.В., Виноградов Б.Н. Строительство метрополитенов / Под ред. С.Н. Власова. - М.: Транспорт, 1987. - 277 с.1. Vlasov S.N., Torgalov V.V., Vinogradov B.N. Subway construction / Ed. S.N. Vlasov. - M.: Transport, 1987. - 277 p.

2. Э.Г. Братута. Поэзия термодинамики. Харьков. 2010 - Издательский центр НТУ «ХПИ».С. 146.2. E.G. Bratuta. The poetry of thermodynamics. Kharkiv. 2010 - Publishing Center of NTU "KhPI". 146.

Claims

1. The method of freezing the soil with an air flow, which consists in exposing it to a cooled flow, characterized in that the wind flow affects the rotor of the wind turbine, the torque of which is transmitted to the compressor, the compressed air from which is sent to the heat exchanger, where it is cooled by ambient air and sent further to the inlet of the vortex tube, where it is divided into hot and cold flows, the cold flow is sent to freeze the soil in the second heat exchanger located on the ground or in it, and after the heat exchanger, the cold and hot flows after the vortex tube are sent to the atmosphere.

2. The method according to p. 1, characterized in that the cold flow after the heat is removed from the heat exchanger located on the ground or in it, is fed together with atmospheric air to the compressor inlet.

3. The method according to paragraphs. 1, 2, characterized in that the hot flow is sent to an additional heat exchanger cooled by ambient air, after which this flow is sent to the inlet of the compressor cylinder of a low compression ratio, and after compression in both cylinders, the air is sent to the heat exchanger following the compressor.

4. The method according to paragraphs. 1-3, characterized in that in winter the compressor is disconnected from the wind turbine.

5. A device for freezing soil, containing a wind turbine connected by a transmission device by means of a coupling to an electric generator and another coupling to a compressor, which is connected by a pipeline to a heat exchanger and a vortex tube following it, a cold flow pipe is connected to a heat exchanger located in or on the ground, and the outlet from it communicates with the atmosphere, as well as the hot stream pipe and the compressor inlet.

6. A device for freezing soil according to claim 5, characterized in that the outlet from the cold flow heat exchanger is connected by a pipeline to the high compression ratio compressor cylinder, and the hot stream pipe is connected to a second heat exchanger cooled by outside air and further connected to the low compression ratio compressor cylinder .