УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Название	УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
Разработчик (Авторы)	Кузьмин Г.П., Чжан Р.В., Яковлев А.В.
Вид объекта патентного права	Полезная модель
Регистрационный номер	120111
Дата регистрации	18.11.2011
Правообладатель	Учреждение Российской академии наук Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова Сибирского отделения Российской академии наук
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Полезная модель относится к области строительства на вечномерзлых грунтах и касается изготовления устройств для аккумуляции холода в основании сооружений.

Известно «Устройство для аккумуляции холода в основании сооружений» SU 815122 [1], включающее частично размещенный в грунте трубчатый корпус и коаксиально расположенную в нем струераспределительную трубу. В верхней части струераспределительной трубы расположен нагревательный элемент.

Недостатками известной конструкции являются низкая энергетическая эффективность эксплуатации, обусловленная наличием нагревательного элемента, к которому необходимо подводить электроэнергию.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство, описанное в «Способ установки в грунт замораживающей колонки» SU 1728365 [2], выполненное в виде трубчатого корпуса, частично погруженного в грунт и частично расположенного выше уровня грунта и содержащего расположенную коаксиально корпусу внутреннюю трубу, причем в нижней части труба корпуса и внутренняя труба соединены каналом.

Известный способ обладает повышенной энергетической эффективностью благодаря отсутствию нагревательного элемента.

Недостатком является низкая надежность и низкая охлаждающая способность устройства. В этом устройстве направление движения воздуха неустойчивое. При наличии ветра над верхним концом внутренней трубы происходит некоторое разряжение воздуха. В результате этого холодный воздух поступает в межтрубное пространство и выходит через внутреннюю трубу. При отсутствии ветра воздух в межтрубном пространстве за счет притока тепла из окружающих мерзлых грунтов нагревается и поднимается по межтрубному пространству вверх, а холодный воздух поступает во внутреннюю трубу. Реверс потока воздуха в устройстве вследствие падения его скорости до нуля снижает его охлаждающую способность. В летнее время под действием ветра в межтрубное пространство всасывается теплый воздух и на холодных стенках труб ниже границы сезонного оттаивания грунта образуется лед, который неизбежно закупоривает его в первый или в последующие теплые периоды года. Кроме того, между встречными потоками воздуха через разделяющую их стальную трубу происходит интенсивный теплообмен, заметно снижающий эффективность охлаждения грунта.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение охлаждающей способности и надежности работы устройства.

Технический результат достигается тем, что верхние концы трубчатого корпуса и внутренней трубы расположены на одном уровне, кольцевой зазор между верхними частями корпуса и внутренней трубы герметично закрыт, а пространство между корпусом и внутренней трубой в верхней части соединено с вытяжной трубой.

Внутреннюю и вытяжную трубы может быть изготовлена из материала с низкой теплопроводностью стенок. Указанное выполнение позволяет повысить эффективность работы устройства. Выполнение внутренней трубы из материала с низкой теплопроводностью позволяет повысить эффективность теплообмена, устраняя паразитный теплообмен между входящим и исходящим потоками. Выполнение вытяжной трубы из низкотеплопроводного материала позволит повысить эффективность вытяжки благодаря увеличению тяги благодаря снижению паразитного теплообмена между потоком внутри вытяжной трубы и окружающим воздухом.

Диаметр внутренней трубы может быть больше поперечного размера межтрубного пространства.

Отношение поперечных размеров внутренней трубы и межтрубного пространства определим расчетами.

Из условия равенства площадей поперечного сечения трубы и межтрубья получаем

где d_2,в, d_1,в и d_1,н - соответственно внутренний диаметр наружной трубы, внутренний и наружный диаметры внутренней трубы. Отношение поперечных размеров каналов равно 

где в - зазор между внутренней и наружной трубами.

Обозначив , из формулы (2) находим

Для оценки отношения поперечных размеров каналов в устройстве можно принять к=1,1; тогда 

Таким образом, образование льда во внутренней трубе, диаметр которой в 5 с лишним раз больше поперечного размера межтрубного пространства, существенно повышает надежность устройства, а движение воздуха в одном направлении и снижение теплообмена между восходящим потоком воздуха с нисходящим потоком и наружным воздухом повышают охлаждающую способность устройства.

На фиг. представлен поперечный разрез предлагаемого устройства, смонтированного в скважине, где:

1 - скважина;

2 - грунтовый заполнитель затрубного пространства;

3 - корпус;

4 - внутренняя труба;

5 - кольцевой зазор;

6 - межтрубное пространство;

7 - вытяжная труба;

8 - граница сезонного оттаивания грунта;

9 - лед.

Устройство действует следующим образом: Предлагаемое устройство помещено в скважину 1 и пространство между корпусом 3 и скважиной 1 заполнено грунтовым заполнителем затрубного пространства 2. Верхняя часть внутренней трубы 4 и верхняя часть корпуса 3 образуют кольцевой зазор 5, который герметично закрыт. Между внутренней трубой и корпусом создается межтрубное пространство 6, которое служит каналом для восходящего потока воздуха. Внутренняя часть внутренней трубы 4 служит каналом для нисходящего потока воздуха. Вытяжная труба 7 создает стабильную тягу. Граница сезонного оттаивания 8 расположена ниже уровня поверхности земли.

В указанном устройстве в летнее время лед 9 намерзает на стенках внутренней трубы, диаметр которой в несколько раз больше поперечного размера межтрубного пространства 6. В зимнее время образовавшийся на стенках внутренней трубы лед 9 под воздействием потока холодного сухого воздуха интенсивно испаряется, и канал очищается ото льда. Внутренняя 4 и вытяжная 7 трубы с низкой теплопроводностью снижают теплообмен соответственно между встречными потоками воздуха и наружным воздухом, что способствует дополнительному повышению охлаждающей способности устройства.

Технический результат - повышение охлаждающей способности и повышение надежности работы устройства достигается движением воздуха в одном направлении - для внутренней поверхности корпуса снизу вверх, обеспечивая высокоэффективное охлаждение зимой и отсутствие прогрева летом за счет особенностей сезонного таяния и намораживания льда.

Промышленное применение. Предлагаемая полезная модель может быть с успехом применена для производства устройств охлаждения грунта, в том числе совмещенных с несущими сваями.

Формула полезной модели

1. Устройство для охлаждения вечномерзлых грунтов, выполненное в виде трубчатого корпуса, частично погруженного в грунт и частично расположенного выше уровня грунта, содержащего расположенную коаксиально корпусу внутреннюю трубу, причем в нижней части труба корпуса и внутренняя труба соединены каналом, отличающееся тем, что верхние концы трубчатого корпуса и внутренней трубы расположены на одном уровне, кольцевой зазор между верхними частями корпуса и внутренней трубы герметично закрыт, а пространство между корпусом и внутренней трубой в верхней части соединено с вытяжной трубой.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренняя и вытяжная трубы изготовлены из материала с низкой теплопроводностью стенок.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диаметр внутренней трубы больше поперечного размера пространства между корпусом и внутренней трубой пространства.

Изобретение "УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ" (Кузьмин Г.П., Чжан Р.В., Яковлев А.В.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога