CC BY
151
УДК 621.592
В. С. ЕВДОКИМОВ В. А. МАКСИМЕНКО В. С. НИКОЛАЕВ
№
Омский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ КОМБИНИРОВАННОГО СЕЗОННОДЕЙСТВУЮЩЕГО ОХЛАЖДАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА
Целью исследования является решение проблемы сохранения состояния веч-номерзлых грунтов в условиях северного строительства. Для поддержания вечной мерзлоты используют термостабилизаторы грунта. Данная работа посвящается исследованиям динамики температурного режима грунта вокруг термостабилизатора в зимнем и летнем режиме эксплуатации для климатической зоны юга Западной Сибири. Экспериментально получены температурные поля грунта вокруг термостабилизатора. Расчетные результаты подтверждены экспериментальными исследованиями. Для оценки работы испарительной зоны термостабилизатора введен новый параметр объемного теплосодержания, который учитывает в себе не только объем замороженного грунта, но и температурный уровень. Спроектирована перспективная конструкция комбинированного устройства для заморозки грунта.
Ключевые слова: термостабилизация грунта, температурные поля, сезонно-действующее охлаждающее устройство (СОУ), льдогрунтовый массив, мерзлый грунт.
I. Введение. В группе изобретений, относящихся к воздушным термостабилизаторам (ТС), основными направлениями являются усовершенствование устройств с естественной циркуляцией воздуха и, в частности, конфузоров для создания ветрового напора, устройств для улучшения самотяги и т.п.
Наибольшее число изобретений посвящено усовершенствованию парожидкостных ТС, и направлены они в основном на усложнение конструкции с целью устранения их чувствительности к верти-кализации, увеличения глубины замораживания и улучшения их теплопередающих свойств.
Значительно меньше авторских свидетельств, направленных на улучшение свойств жидкостных ТС. В основном они направлены на создание вынужденной циркуляции теплоносителя с помощью различных типов двигателей, а также на ликвидацию летней циркуляции теплоносителя.
На основании патентного поиска выявлено:
1. Для замораживания грунтов идет поиск в разработке конструкций парожидкостных и жидкостных коаксиальных ТС, причем предпочтение отдается первым ввиду более достаточной надежности и работоспособности конструкции.
2. Продлению срока сохранения грунтовым массивом отрицательных температур способствует изоляция ледогрунтового массива от летних теплопри-токов, а также защита наружных теплообменников (ТО) от солнечной радиации с помощью экранов.
3. Использование ТС в комбинации с емкостями для аккумуляции зимнего холода (так называемые зероторы) способствуют продлению срока действия охлаждающей системы.
II. Постановка задачи. Общим для всех сезонно-действующее охлаждающее устройство (СОУ) является то, что при работе охлаждающего устройства вокруг его заглубленной части образуется столб мерзлого грунта, диаметр которого со временем увеличивается. Скорость его роста зависит от величины потока тепла, отводимого теплообменником в атмосферу, и потока, поступающего от охлаждаемого (замораживаемого) грунта к СОУ. В периоды включения СОУ происходят повышение температуры мерзлого массива и даже его частичное оттаивание [1, 2].
При исследовании теплового режима СОУ возникает задача определения нестационарного температурного поля в окружающем грунте при заданной интенсивности отвода тепла, т.е. при использовании СОУ определенного типа и конструкции. Вторая задача, называемая обратной, сводится к нахождению величины теплового потока, который необходимо отвести из грунта для обеспечения заданного распределения температур в нем [3].
В качестве исходных данных для решения прямой задачи принимаются математические характеристики района строительства (температура воздуха, скорость ветра, солнечная радиация), начальная температура грунта, его теплофизические параметры, конструктивные характеристики СОУ. Сложность состоит в том, что здесь, по существу, протекают два взаимосвязанных процесса: промерзание (оттаивание) грунта при взаимодействии с охлаждающим устройством и атмосферой (внешняя задача) и теплоперенос в СОУ (внутренняя). Таким образом, необходимо рассматривать задачу
как совместную для системы грунт — СОУ — атмосфера.
Эксперименты проводились на образце индивидуального термостабилизатора грунта ТК 32/6М5 А-01.
Исследование динамики изменения температуры в грунтовом массиве и термосвае осуществляется путём непосредственных измерений через систему электрических цифровых термометров, расположенных снаружи на корпусе термосваи и на измерительных штангах.
Анализ динамики теплопритоков осуществляется на основании непосредственных измерений тепловых потоков датчиками, расположенных на наружной поверхности грунтового ТО и в термометрических колоннах, а также расчётно по результатам измерений температуры.
III. Результаты исследования. В ходе трехлетних испытаний были получены результаты, анализ которых показывает, что теплопередающие свойства термостабилизатора существенно зависят от условий теплообмена как
в окружающей среде, так и в грунте, в процессе развития ледогрунтовой массы, и неразрывно связаны между собой. Взаимодействие всех этих процессов обусловливает закономерности формирования ледо-грунтовых аккумуляторов холода в грунте [4].
Замораживаемый грунт имеет неоднородную геологическую структуру. Сложную структуру представляет замораживаемый массив даже в пределах одного геологического слоя. Процессы теплопере-
дачи сопровождаются различными физико-химическими явлениями. Затруднительно детально осуществить математическую постановку задачи в полном объеме, даже с помощью современных вычислительных средств (рис. 1, 2).
В обход упомянутых трудностей, в теоретических работах, посвященных вопросам искусственного замораживания грунтов, принимается ряд допущений, основным из которых является однородность и изотропность состава грунта в рассматриваемом массиве [5].
Радиус замораживания вокруг индивидуального термостабилизатора определяется с целью обоснования диаметра испарительной части термостабилизатора для конкретной местности. Кроме того, по результатам этого расчета делается подбор количества термостабилизирующих колонок.
Таблица расчетов с учетом поправки на опытные данные имеет вид (табл. 1).
Из диапазона этих данных выберем температуру испарительной части —20 0С (т.к. температура наиболее холодного месяца —22 0С). Продолжительность безморозного периода 98 дней, устойчивых морозов 156 дней.
Солнечная радиация влияет на конденсаторную часть. Действие солнечной радиации может осуществляться на горизонтальную и вертикальную поверхности.
Повышение температуры конденсатора на 3,95 0С приведет к сокращению работы термостабилизатора в активном периоде на 50 дней (в зимний период
Рис. 1. Вид вывода результатов в ANSYS
Рис. 2. Сравнение расчетных и опытных данных
Таблица 1
Зависимость радиуса промерзания от температуры и времени
Диаметр испарителя, мм 38
Температура грунта 7°С
Температура окружающего воздуха — 15°С — 20°С — 25°С -30°С — 35°С
Время заморозки, дни Радиус замороженной зоны, м
0 0 0 0 0 0
10 0,8125 0,99375 1,0625 1,15 1,25
20 0,95625 1,175 1,3625 1,4375 1,54375
30 1,0625 1,325 1,54375 1,6125 1,7625
40 1,175 1,475 1,6875 1,7625 2,025
50 1,2875 1,58125 1,8 1,95 2,16875
60 1,4 1,65 1,95 2,1 2,3125
70 1,475 1,7625 2,1 2,275 2,425
80 1,5125 1,875 2,20625 2,35 2,575
90 1,58125 1,9875 2,3125 2,5 2,6875
100 1,6125 2,0625 2,4 2,575 2,7575
110 1,65 2,1375 2,4625 2,6875 2,9
120 1,6875 2,16875 2,5 2,7575 2,975
130 1,725 2,20625 2,5375 2,77875 3,0125
140 1,7625 2,25 2,575 2,83125 3,0875
150 1,8 2,275 2,6125 2,86875 3,125
№
при повышении температуры конденсатора от —20 0С до —15 0С). Соответственно, за зимние месяцы возможна заморозка на 1,8 метра. Этого недостаточно для образования единого массива.
Для решения этой проблемы спроектировано перспективное комбинированное устройство для заморозки грунта [6], общий вид которого показан на рис. 3.
Спроектированное перспективное устройство включает в себя трубу, выполненную в виде термосваи 1, состоящую из испарителей 2 и 3, заполненных хладагентом, конденсатора 4, состоящего из конденсаторных зон А и В. Вокруг конденсаторной зоны А расположен трубопровод 5, выполняющий роль испарителя и изготовленный в виде трубки эллиптического сечения, плотно навитой на термосваю 1. Вокруг трубопровода 5 смонтирована оболочка с теплоизоляцией 6 для уменьшения те-плопритоков от грунта к зоне А. Термосвая 1, помещенная в грунт на глубину Ь, содержит испаритель 2, который через промежуточную трубу 7 соединен с воронкой 8. Воронка 8 расположена на расстоянии Ь2 от конденсаторной зоны А и выполнена
с трапециевидными отверстиями и бортиком таким образом, чтобы бортик был направлен в сторону движения пара для сбора испаряющихся паров и поступления их в зоны конденсации А или В и во избежание попадания хладагента в отверстия. Дополнительный испаритель 3 с воронкой и промежуточной трубой выполнен из теплоизоляционного материала в виде стакана и заполнен хладагентом. Дополнительный испаритель выполнен внутренним диаметром Б2, в нижней части которого выполнено отверстие для размещения в нем промежуточной трубы наружным диаметром <3 и внутренним диаметром Б3. Нижняя часть промежуточной трубы под углом 90 0 выведена в дополнительный испаритель в зону испарителя Н2, расположенную между внутренним диаметром термосваи Б1 и внутренним диаметром испарителя Б2, где Б3 < <3, Б2 <
Воронка 10 расположена в верхней части промежуточной трубы на расстоянии Ц от зоны А и выполнена с трапециевидными отверстиями и бортиком таким образом, чтобы бортик был направлен в сторону движения пара для сбора испаряющихся паров и поступления их в зоны конденсации
4
Устройство для аккумуляции холода
Рис. 3. Общий вид перспективного комбинированного устройства
А или В и во избежание попадания хладагента в отверстия [7].
IV. Выводы. Включение в состав транспортных участков термостабилизаторов дополнительных теплоотводящих элементов позволяет обеспечить функционирование термостабилизаторов в период года с положительными температурами атмосферного воздуха за счет циркуляции в них промежуточного хладагента, охлаждаемого холодильной машиной. Тем самым обеспечивается непрерывный (круглогодичный) режим работы.
Спроектированное и исследованное перспективное комбинированное устройство заморозки грунта обладает рядом преимуществ, таких как адаптация устройства для локальной заморозки участков грунта; обеспечение заморозки грунта на протяжении всего срока эксплуатации; повышение скорости за-
морозки грунта; снижение металлоемкости и энергозатратности.
Библиографический список
1. Kutvitskaya, N. B. Design of Beds and Foundations of Infrastructure for Oil-Gas Condensate Fields Under Complex Frozen-Soil Conditions / N. B. Kutvitskaya, M. A. Minkin // Soil Mechanics and Foundation Engineering. — 2014. — Vol. 51, Is. 1. - Pp. 36-41.
2. Ibragimov, E. V. Development of and experience with installation of soil thermostabilizers with use of directed inclined boring / E. V. Ibragimov [et al.] // Soil Mechanics and Foundation Engineering. - 2013. - Vol. 50, Is. 2. - Pp. 71-75.
3. Zhou, Y. Approximate solution for the temperature field of 1-D soil freezing process in a semi-infinite region / Y. Zhou,
G. Zhou // Heat and Mass Transfer. - 2013. - Vol. 49, Is. 1. -Pp. 75-84.
4. Бучко, Н. А. Искусственное замораживание грунтов /
H. А. Бучко, В. А. Турчина. - М. : Информэнерго, 1978. -68 с.
5. Пьянков, С. А. Механика грунтов / С. А. Пьянков, З. К. Азизов. - Ульяновск : УлГТУ, 2008. - 103 с.
6. Гапеев, С. И. Укрепление мерзлых оснований замораживанием / С. И. Гапеев. - Л. : Стройиздат. Ленингр. отд-ние, 1984. - 165 с.
7. Пат. 108051 РФ, МПК F02D3/115. Устройство для аккумуляции холода / Максименко В. А., Евдокимов В. С., Костин А. М., Губанов А. С. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. - № 2011115576/03 ; заявл. 20.04.2011 ; опубл. 10.09.2011.
ЕВДОКИМОВ Владимир Сергеевич, аспирант кафедры холодильной и компрессорной техники и технологии.
Адрес для переписки: omgtu_evdokimov@mail.ru МАКСИМЕНКО Василий Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры холодильной и компрессорной техники и технологии. Адрес для переписки: maxw52@mail.ru НИКОЛАЕВ Владимир Сергеевич, студент гр. ВК-510 нефтехимического института. Адрес для переписки: antvld358@mail.ru
Статья поступила в редакцию 12.01.2015 г. © В. С. Евдокимов, В. А. Максименко, В. С. Николаев
Книжная полка
621.83/М79
Моргунов, А. П. Технология производства зубчатых колес : учеб. электрон. изд. локального распространения : учеб. пособие для вузов по направлению подгот. дипломир. специалистов «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» / А. П. Моргунов, И. В. Ревина. - Омск : ОмГТУ, 2014. - 1 о=эл. опт. диск (CD-ROM).
Приведены основные сведения о типах зубчатых передач, применяемых в машиностроении. Рассмотрены методы изготовления заготовок зубчатых колес. Особое внимание уделено принципам построения технологических процессов обработки зубчатых колес. Изложены методы контроля зубчатых колес и передач. Подробно рассмотрены технологические методы изготовления цилиндрических, конических и червячных колес, а также цилиндрических и глобоидных червяков. Дается описание способов нарезания и отделки зубьев, применяемого оборудования и инструмента. Предназначено для студентов специальностей 120100 «Технология машиностроения», 120200 «Металлорежущие станки и инструменты» и других, изучающих дисциплины «Основы технологии машиностроения», «Технология машиностроения», «Технология приборостроения»; также может быть использовано аспирантами и инженерно-техническими работниками машиностроительных и приборостроительных предприятий.
7R
