RU91723U1

RU91723U1 - DEVICE FOR COOLING PERMANENTLY FROZEN SOILS

Info

Publication number: RU91723U1
Application number: RU2009139374/22U
Authority: RU
Inventors: Вадим Васильевич Пассек; Василий Анатольевич Герасимов; Владимир Евгеньевич Руденко; Владимир Григорьевич Дубинин; Вячеслав Вадимович Пассек; Илья Николаевич Козлов; Александр Михайлович Одринский
Original assignee: Вадим Васильевич Пассек; Василий Анатольевич Герасимов; Владимир Евгеньевич Руденко; Владимир Григорьевич Дубинин; Вячеслав Вадимович Пассек; Илья Николаевич Козлов; Александр Михайлович Одринский
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2009-10-27
Publication date: 2010-02-27

Abstract

Устройство для охлаждения вечномерзлых грунтов, выполненное из сталежелезобетонной оболочки, частично погруженной в грунт и частично расположенной выше уровня грунта и содержащей теплообменник, и имеющей замкнутую сквозную полость в пределах подземной и надземной частей, причем сверху и снизу полость ограничена железобетонными пробками, отличающееся тем, что замкнутая сквозная полость выполнена в виде двух параллельных стальных труб - трубы для нисходящих потоков и трубы для восходящих потоков, сама сталежелезобетонная оболочка сформирована объемлющей стальной трубой, ограничивающей трубы для нисходящих и восходящих потоков, пространство между которыми за исключением длины теплообменника заполнено бетоном или железобетоном, а теплообменник расположен в надземной части сталежелезобетонной оболочки на участке длиной «l» в пределах высоты замкнутой сквозной полости и содержит параллельные участки труб для нисходящих и восходящих потоков и объемлющей трубы, причем труба для нисходящих потоков имеет вырез шириной «a», соединяющий полости объемлющей трубы и трубы для нисходящих потоков, а труба для восходящих потоков снабжена верхним каналом, соединяющим полости трубы для восходящих потоков и объемлющей трубы, при этом внизу трубы для нисходящих и восходящих потоков соединены нижним каналом, причем ! l≤hт, ! l·a≥π·r2, ! где l - длина выреза в трубе для нисходящих потоков, м; ! hт - высота замкнутой сквозной единой полости от ее верха до уровня вод в период ледостава, м; ! a - длина хорды выреза в трубе для нисходящих потоков, м; ! r - радиус трубы для нисходящих потоков, м.A device for cooling permafrost soils made of steel-reinforced concrete shell partially immersed in the soil and partially located above the soil level and containing a heat exchanger, and having a closed through cavity within the underground and aboveground parts, the cavity being bounded by reinforced concrete plugs above and below, characterized in that the closed through cavity is made in the form of two parallel steel pipes - pipes for downward flows and pipes for upward flows, the steel-reinforced concrete shell of the spho It is covered by a bulging steel pipe, restricting pipes for downward and upward flows, the space between which, with the exception of the length of the heat exchanger, is filled with concrete or reinforced concrete, and the heat exchanger is located in the aerial part of the steel-reinforced concrete shell in a section of length “l” within the height of the closed through cavity and contains parallel pipe sections for downward and upward flows and the enclosing pipe, and the pipe for downward flows has a cutout of width "a" connecting the cavity of the enclosing pipe and pipe d For downward flows, and the pipe for upward flows is equipped with an upper channel connecting the cavity of the pipe for upward flows and the enclosing pipe, while at the bottom of the pipe for downward and upward flows are connected by the lower channel, moreover! l≤ht,! l · a≥π · r2,! where l is the length of the cutout in the pipe for downward flows, m; ! ht is the height of the closed through single cavity from its top to the water level during the period of freezing, m; ! a is the length of the notch chord in the pipe for downward flows, m; ! r is the radius of the pipe for downward flows, m

Description

Полезная модель относится к области мостостроения, а именно к устройствам по поддержанию отрицательной температуры грунтов при сооружении свайных фундаментов опор мостов на вечномерзлых грунтах.The utility model relates to the field of bridge construction, and in particular to devices for maintaining negative soil temperatures during the construction of pile foundations of bridge supports on permafrost soils.

Известны безростверковые опоры мостов со стойками из полых стальных свай-оболочек, используемые кроме своего основного назначения как несущей конструкции, еще и в качестве охлаждающих устройств для поддержания в течение всего периода эксплуатации моста отрицательной температуры грунтов основания не выше принятой в расчетах его несущей способности («Проектирование и устройство фундаментов опор мостов в районах распространения вечномерзлых грунтов». СП 32-101-95. Система нормативных документов в строительстве. Свод правил. М., Корпорация «Трансстрой», 1996 г., с.65).Known bezverstverkovye bridge supports with racks of hollow steel piles, shells, used in addition to its main purpose as a supporting structure, and also as cooling devices to maintain during the entire period of operation of the bridge the negative temperature of the soil of the base is not higher than the load bearing capacity accepted in the calculations (" Design and construction of foundations of bridge supports in areas of permafrost distribution. "SP 32-101-95. System of regulatory documents in construction. Code of practice. M., Corporation Transstroi ", 1996, p.65).

Недостаток таких опор состоит в малой несущей способности и в том, что металл подвергается коррозии.The disadvantage of such supports is their low bearing capacity and the fact that the metal undergoes corrosion.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для охлаждения грунтов, выполненное из сталежелезобетонной оболочки, частично погруженной в грунт и частично расположенной выше уровня грунта, содержащей теплообменник и имеющей замкнутую сквозную полость в пределах подземной и надземной частей, причем полость ограничена железобетонными пробками и сверху, и снизу («Проектирование и устройство фундаментов опор мостов в районах распространения вечномерзлых грунтов». СП 32-101-95. Система нормативных документов в строительстве. Свод правил. М., Корпорация «Трансстрой», 1996 г., с.65).Closest to the claimed is a device for cooling the soil, made of steel-reinforced concrete shell, partially immersed in the soil and partially located above the soil level, containing a heat exchanger and having a closed through cavity within the underground and aboveground parts, and the cavity is limited by reinforced concrete plugs and above and below (“Design and construction of foundations of bridge supports in areas of permafrost distribution.” SP 32-101-95. System of regulatory documents in construction. Code of practice L. M., Transstroy Corporation, 1996, p.65).

Недостаток этого устройства состоит в резком ухудшении степени охлаждения грунтов основания вследствие увеличения термического сопротивления стенок оболочки.The disadvantage of this device is a sharp deterioration in the degree of cooling of the soil of the base due to an increase in thermal resistance of the walls of the shell.

Задача предлагаемой полезной модели состояла в увеличении эффективности работы устройств для охлаждения вечномерзлых грунтов, выполненных из сталежелезобетонных оболочек.The objective of the proposed utility model was to increase the efficiency of devices for cooling permafrost soils made of steel-reinforced concrete shells.

Для достижения указанного технического результата в устройстве для охлаждения вечномерзлых грунтов, выполненном из сталежелезобетонной оболочки, частично погруженной ниже уровня естественной поверхности и частично расположенной выше уровня грунта, содержащей теплообменник и имеющей замкнутую сквозную полость в пределах подземной и надземной частей, причем сверху и снизу полость ограничена железобетонными пробками, замкнутая сквозная полость выполнена в виде двух параллельных стальных труб - трубы для нисходящих потоков и трубы для восходящих потоков. Сама сталежелезобетонная оболочка сформирована объемлющей стальной трубой, ограничивающей трубы для нисходящих и восходящих потоков, пространство между которыми за исключением длины теплообменника заполнено бетоном или железобетоном. А теплообменник расположен в надземной части сталежелезобетонной оболочки на участке длиной «l» в пределах высоты замкнутой сквозной полости и содержит параллельные участки труб для нисходящих и восходящих потоков и объемлющей трубы, причем труба для нисходящих потоков имеет вырез шириной «a», соединяющий полости объемлющей трубы и трубы для нисходящих потоков, а труба для восходящих потоков снабжена верхним каналом, соединяющим полости трубы для нисходящих потоков и трубы для восходящих потоков, при этом внизу труба для нисходящих потоков, труба для восходящих потоков и перепускная соединены нижним каналом. Длина теплообменника определяется из соответствующей зависимости.To achieve the specified technical result in a device for cooling permafrost soils made of steel-reinforced concrete shell, partially submerged below the level of the natural surface and partially located above the ground level, containing a heat exchanger and having a closed through cavity within the underground and aboveground parts, the cavity being limited above and below. reinforced concrete plugs, a closed through cavity is made in the form of two parallel steel pipes - pipes for downward flows and pipes for updrafts. The steel-reinforced concrete shell itself is formed by an enclosing steel pipe bounding pipes for downward and upward flows, the space between which, with the exception of the length of the heat exchanger, is filled with concrete or reinforced concrete. And the heat exchanger is located in the above-ground part of the steel-reinforced concrete shell in a section of length “l” within the height of a closed through cavity and contains parallel sections of pipes for downward and upward flows and an enclosing pipe, and the pipe for downward flows has a cutout of width “a” connecting the cavities of the enclosing pipe and pipes for downward flows, and the pipe for upward flows is provided with an upper channel connecting the cavity of the pipe for downward flows and pipes for upward flows, while the pipe for downward flows downward shackles, pipe for ascending flow and the overflow are connected to the lower channel. The length of the heat exchanger is determined from the corresponding relationship.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где представлено:The essence of the utility model is illustrated by drawings, which presents:

на фиг.1 - сечение оболочки плоскостью, проходящей через ее продольную ось (сечение А-А на фиг.2 и 3);figure 1 - section of the shell by a plane passing through its longitudinal axis (section aa in figure 2 and 3);

на фиг.2 - сечение Б-Б на фиг.1;figure 2 is a section bB in figure 1;

на фиг.3 - сечение В-В на фиг.1.figure 3 - section bb in figure 1.

Устройство для охлаждения вечномерзлых грунтов выполнено из сталежелезобетонной оболочки 1, частично погруженной ниже уровня 2 естественной поверхности и имеющей замкнутую сквозную полость 3. Замкнутая сквозная полость выполнена в виде двух параллельных стальных труб: трубы 4 для нисходящих потоков и трубы 5 для восходящих потоков. Обе трубы помещены в общую трубу 6, которая сверху и снизу заглушена соответственно верхней 7 и нижней 8 бетонными пробками. В верхней части полости на высоте h_т между низом верхней пробки 7 и уровнем 9 воды в период ледостава расположен теплообменник. Ниже теплообменника пространство между внешними поверхностями труб 4 и 5 и внутренней поверхностью общей трубы 6 заполнено бетоном 10. Трубы 4 и 5 внизу снабжены перепускным каналом 11. В верхней части трубы 5 имеются выпускные отверстия 12. В верхней части трубы 4 имеется вырез 13 на высоте h_т теплообменника. На этой высоте пространство между внешними поверхностями труб 4 и 5 и внутренней поверхностью трубы 6 бетоном не заполнено и представляет единую воздушную полость, в которой осуществляется воздухообмен между полостями 4 и 5. Направление конвекции показано стрелками 14. Труба 5 для восходящих потоков должна быть покрыта теплоизоляцией 15 (внутренней или внешней).The device for cooling permafrost soils is made of steel-reinforced concrete shell 1, partially submerged below level 2 of the natural surface and having a closed through cavity 3. The closed through cavity is made in the form of two parallel steel pipes: pipe 4 for downward flows and pipe 5 for upward flows. Both pipes are placed in a common pipe 6, which is sealed from above and below by the upper 7 and lower 8 concrete plugs, respectively. In the upper part of the cavity at a height of h _t between the bottom of the upper plug 7 and the water level 9 during the period of ice formation, a heat exchanger is located. Below the heat exchanger, the space between the outer surfaces of the pipes 4 and 5 and the inner surface of the common pipe 6 is filled with concrete 10. The pipes 4 and 5 at the bottom are equipped with an overflow channel 11. At the top of the pipe 5 there are exhaust holes 12. At the top of the pipe 4 there is a cutout 13 at a height h _t heat exchanger. At this height, the space between the outer surfaces of the pipes 4 and 5 and the inner surface of the pipe 6 is not filled with concrete and represents a single air cavity in which air is exchanged between the cavities 4 and 5. The convection direction is shown by arrows 14. The pipe 5 for upward flows must be covered with thermal insulation 15 (internal or external).

Устройство для охлаждения вечномерзлых грунтов работает следующим образом.A device for cooling permafrost soils works as follows.

В зимний период воздух внутри термоопоры охлаждается в пределах теплообменника, который содержит воздушную полость на высоте h_т. Полость образована пространством между внутренней поверхностью общей трубы 6 и внешними поверхностями труб 4 и 5. При этом вырез 13 в трубе позволяет охлажденному воздуху свободно поступать вниз по трубе 4, вытесняя более теплый (и, следовательно, более легкий) воздух в трубу 5. Этот воздух через перепускной канал 11 поступает в трубу 5, поднимается вверх и через отверстия 12 поступает опять в воздушную полость теплообменника. Таким образом, осуществляется замкнутый цикл движения воздуха и перенос «холода» в грунты. В летний период конвекция прекращается. В процессе движения вверх по трубе 5 теплый воздух не должен охлаждаться по двум причинам: во-первых, не должно передаваться тепло в грунт, а, во-вторых, не должна замедляться конвекция. Поэтому труба 5 должна быть покрыта внутренней или внешней теплоизоляцией 15.In winter, the air inside the thermal support is cooled within the heat exchanger, which contains an air cavity at a height of h _t The cavity is formed by the space between the inner surface of the common pipe 6 and the outer surfaces of the pipes 4 and 5. In this case, the cutout 13 in the pipe allows the cooled air to freely flow down the pipe 4, forcing warmer (and therefore lighter) air into the pipe 5. This air through the bypass channel 11 enters the pipe 5, rises up and through the holes 12 enters again into the air cavity of the heat exchanger. Thus, a closed cycle of air movement and the transfer of "cold" to the ground. In the summer, convection stops. In the process of moving up the pipe 5, warm air should not be cooled for two reasons: firstly, heat should not be transferred to the ground, and secondly, convection should not be slowed down. Therefore, the pipe 5 must be coated with internal or external thermal insulation 15.

Эффективность предлагаемого технического решения определяется следующим. Первоначально термоопоры предполагалось изготавливать (и изготавливались) из стальных труб. В этом случае теплообменник представляет собой надземную часть термоопоры. Тонкие металлические стенки трубы обеспечивают хорошие условия для теплообмена.The effectiveness of the proposed technical solution is determined by the following. Initially, thermal supports were supposed to be made (and made) of steel pipes. In this case, the heat exchanger is an above-ground part of the thermal support. Thin metal walls of the pipe provide good conditions for heat transfer.

Существенно не изменялся теплообмен и при применении центрифугированных железобетонных труб. Но когда толщина стенок достигает 0,5 м, теплообмен существенно ухудшается. Предложенное техническое решение позволяет обеспечить эффективный теплообмен в термоопорах с мощными железобетонными стенками.Heat transfer did not change significantly with the use of centrifuged reinforced concrete pipes. But when the wall thickness reaches 0.5 m, heat transfer is significantly impaired. The proposed technical solution allows for efficient heat transfer in thermo supports with powerful reinforced concrete walls.

Claims

A device for cooling permafrost soils made of steel-reinforced concrete shell partially immersed in the soil and partially located above the soil level and containing a heat exchanger, and having a closed through cavity within the underground and aboveground parts, the cavity being bounded by reinforced concrete plugs above and below, characterized in that the closed through cavity is made in the form of two parallel steel pipes - pipes for downward flows and pipes for upward flows, the steel-reinforced concrete shell of the spho It is covered by a bulging steel pipe, restricting pipes for downward and upward flows, the space between which, with the exception of the length of the heat exchanger, is filled with concrete or reinforced concrete, and the heat exchanger is located in the aerial part of the steel-reinforced concrete shell in a section of length “l” within the height of the closed through cavity and contains parallel pipe sections for downward and upward flows and the enclosing pipe, and the pipe for downward flows has a cutout of width "a" connecting the cavity of the enclosing pipe and pipe d for downward flows, and the pipe for upward flows is provided with an upper channel connecting the cavities of the pipe for upward flows and the enclosing pipe, while downward pipes for downward and upward flows are connected by a lower channel,

l≤h _t

l · a≥π · r ² ,

where l is the length of the cutout in the pipe for downward flows, m;

h _t - the height of a closed through a single cavity from its top to the water level during the period of freezing, m;

a is the length of the notch chord in the pipe for downward flows, m;

r is the radius of the pipe for downward flows, m