Проведение экспериментальных работ по исследованию процессов искусственного замораживания и оттаивания грунтов для разработки модели радиационно-конвективной установки Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624.131.4

ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ПРОЦЕССОВ ИСКУССТВЕННОГО ЗАМОРАЖИВАНИЯ И ОТТАИВАНИЯ ГРУНТОВ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ МОДЕЛИ РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНОЙ УСТАНОВКИ

© 2010 Д. Ф. Карпов1, А. А. Синицын2, А. Ю. Вельсовский3

1 аспирант III-го года обучения, ассистент каф. «Теплогазоснабжение и вентиляция» e-mail: karpov_denis_85@mail.ru

2канд. техн. наук, доцент каф. «Теплогазоснабжение и вентиляция» e-mail: nee-energo@yandex.ru

ст. преподаватель каф. «Автомобильные дороги» e-mail: vau@mh. vstu.edu.ru

ГОУ ВПО «Вологодский государственный технический университет»

(г. Вологда, Россия)

В статье рассматриваются экспериментальные исследования температурных режимов замерзания и искусственного оттаивания различных видов грунтов, выполненные для разработки радиационно-конвективной установки, применяемой для оттаивания мерзлых грунтов при аварийно восстановительных работах

Ключевые слова: оттаивание мерзлого грунта, радиационно-конвективная установка

Актуальность

Необходимость создания малогабаритной установки для оттаивания мерзлых грунтов появилась как результат сотрудничества на профессиональной основе вуза и городских аварийно-эксплуатационных и коммунальных служб, которые в первую очередь нуждались в подобном устройстве. Важность поставленной задачи создания новой установки определялась нерешенностью проблемы быстрой разработки мерзлого грунта в стесненных условиях сложного городского подземного хозяйства при невозможности использования по техническим требованиям и соображениям безопасности обычных технических средств рыхления или резания мерзлых грунтов. Реализация идеи создания этой установки была поддержана на уровне Федерального агентства по науке и инновациям в рамках федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Обзор по существующим источникам научно-технической литературы и патентный поиск выявили разнообразные способы оттаивания мерзлых грунтов, подразделяющиеся в зависимости от источника тепла (электроэнергия, пар, газ, мазут, кокс, горячих шлаки и др.) и принципа действия (тепловое, химическое и др.). Анализ результатов обзора показал, что существующие методы имеют ограниченное применение вследствие высоких энергетических затрат и длительного времени, необходимого для отогрева (от пяти часов и более до нескольких суток), или же они неприемлемы из соображений безопасности при производстве некоторых видов работ (раскопка газовых, электрических сетей и др. ).

Проведенные поисковые исследования, направленные на выявление основных технико-эксплуатационных характеристик и их анализ позволили определить требования и параметры создаваемой установки (табл. 1) [Вельсовский 2010: 162-167]. Результаты исследований по выбору ее оптимального варианта подробно описаны в работе [Синицын 2009: 146-149]. На основании этих работ был выбран радиационноконвективный принцип оттаивания, а основным энергоресурсом - газовое топливо.

Таблица 1

Параметры разрабатываемой установки______________________

№ п/п Показатели Значение

1 Принцип работы установки Радиационно-конвективный

теплоперенос

2 Вид топлива Природный газ, пропан-бутан

3 Время оттаивания, ч Не более 4

4 Максимальная глубина оттаивания, м Не менее 1,5

5 Габариты установки, м 1 х 1,5 х 0,4

6 Допустимый вес, кг Не более 90

7 Обслуживающий персонал, чел. 2

Время, необходимое для оттаивания грунта на заданную глубину, приведенное в таблице 1, определялось исходя из требований проведения аварийновосстановительных работ различными ремонтными службами в одну смену [Вельсовский 2010: 162-167]. Для того чтобы обеспечить оттаивание грунта в отведенный временной интервал (не более 4 часов), необходимо было определить мощность создаваемой установки.

Для выявления необходимой мощности и подтверждения экспериментальным путем расчетных параметров были проведены серии испытаний по промерзанию и оттаиванию различных видов грунтов. В качестве основных были использованы песок средней крупности и суглинок легкий. Для грунтов были определены физические свойства и классификационные показатели в соответствии с ГОСТ 25100-95 (2002), в том числе для создания условий проведения опыта, близких к реальным, определены максимальная плотность, оптимальная влажность и плотности в естественном залегании на глубине до 1,5 м.

Методика проведения эксперимента

Методика проведения опыта по замораживанию форм с грунтом включала:

1) подготовку необходимых элементов (форм для грунта, решеток с термопарами для измерения температурных полей, блока преобразующей аппаратуры и компьютера для снятия и регистрации показаний термопар);

2) подготовку грунта (высушивание до постоянной массы, перемешивание с целью получения однородной среды, увлажнение, укладку и послойное уплотнение в подготовленную форму);

3) подготовку стационарной холодильной камеры (типа КХН-1) к испытаниям, установку промораживаемых форм с грунтом и задание температурного режима (от - 4 до - 6 °С ) для равномерного промораживания.

Изменение температуры в грунте при промораживании и последующем оттаивании отслеживалось с помощью термодатчиков, матрица расположения которых представлена на рисунке 1 А. Измерения проводились по трем горизонтам, в каждом из них устанавливалось девять термодатчиков. Для точного расположения термодатчики за-

креплялись на специально сконструированной рамке, вид которой и размеры в плане и профиле представлены на рисунке 1 Б и рисунке 1 В.

При проведении опыта в качестве термодатчиков использовались хромель-алюмелевые спаи термопар, подключенные к аналого-цифровому преобразователю. С помощью кабеля RS 232 аналого-цифровой преобразователь соединялся с персональным компьютером, на котором в режиме реального времени отображались процессы замораживания-оттаивания (рисунок 1 Г).

Рис. 1. Подготовка к проведению эксперимента по замораживанию грунта:

А - матрица точек расположения термопар, Б - рамка для точного расположения датчиков в плане, В - форма с уплотненным грунтом и расположением термопар в профиле, Г - схема измерения температур (1 - форма с грунтом и установленными термодатчиками, 2, 3 - блок аналого-цифрового преобразователя, 4 - компьютер)

При проведении опытов форма с мерзлым грунтом покрывалась с боков и снизу теплоизоляцией для предотвращения их нагревания и создания условий проведения оттаивания сверху (рис. 2).

А) Б)

Рис. 2. Схема экспериментальной установки:

А - схема установки, Б - фотография установки, 1 - радиационно-конвективная установка, 2 -металлическое кольцо, 3 - мерзлый грунт, 4 - форма для грунта, 5 - теплоизоляция

Результаты экспериментальных исследований

Проведение опыта заключалось в предварительном замораживании грунта, а затем его искусственном оттаивании, при этом в процессе опыта через каждые две секунды замерялись показания температурных датчиков, и замерялась глубина промерзания (оттаивания) грунта с помощью мерного щупа (рис. 3).

0 24 48 72 96 120 144 168 192

Время, ч

Рис. 3. График измерения глубины промерзания

Эксперимент проводился при следующих характеристиках искусственного источника тепловой энергии:

- тип нагревателя - электрический ТЭН;

- потребляемая электрическая мощность - 1300 Вт;

- установленный температурный режим - 250 °С;

- диаметр зоны оттаивания - 330 мм.

Производилось оттаивание песчаного грунта плотностью 1,6 г/см3 и влажностью 30% при начальной температуре материала — 1,8°С. Результаты сопоставления экспериментальных исследований характера прогрева мерзлого грунта радиационноконвективной установкой в натурных и лабораторных условиях приведены на рисунке 4.

Зависимость глубины оттаивания Нот ко времени подвода тепловой энергии т может быть выражена следующей эмпирической зависимостью:

Н = К ■ т05,

от 5

где К = / (К, К ,..КМ) - коэффициент, зависящий от вида грунта, мощности теплового источника, характера оттаивания и удаления талого грунта, условий окружающего воздуха и др.; т - время подвода тепловой энергии, ч .

Сравнение результатов расчетов по указанной эмпирической зависимости и результатов расчета, проведенных по инженерной методике расчета толщины талой зоны дисперсного материала от времени его размораживания, показало достаточную точность предлагаемой зависимости.

Ю

>.

гц

Л 48" Ч

^0 j -

"Й ''С' -

=0,92

£ "8^ ^«=12 I05

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Время оттаивания, мин О - экспериментальные данные при натурных испытаниях о - экспериментальные данные при лабораторных испытаниях Рис. 4. Сопоставление экспериментальных исследований характера прогрева мерзлого грунта радиационно-конвективной установкой

Сильное влияние на скорость оттаивания мерзлого грунта оказывает характер удаления оттаявшей части мерзлого грунта. При затратах энергии 1300 Вт и площади оттаивания 85 -103м2 получены обобщающие экспериментальные зависимости изменения глубины искусственного оттаивания мерзлого грунта во времени (рис. 5).

—----- 250 л-------------------------------------

0 10 20 30 40 50 60

ВРЕМЯ ОТТАИВАНИЯ, МИН

Рис. 5. Обобщающая экспериментальная зависимость изменения глубины искусственного оттаивания мерзлого грунта во времени: 1 - постоянное удаление оттаявшей части мерзлого грунта; 2 -периодическое удаление оттаявшей части мерзлого грунта; 3 - без удаления оттаявшей части мерзлого грунта

Из графика на рисунке 5 видно, что скорость, а соответственно, и глубина оттаивания зависит от условий удаления оттаявшего грунта. При постоянном удалении грунта (каждые 5 мин) глубина оттаивания в 3 раза больше, чем при оттаивании без его удаления. При периодическом удалении грунта (каждые 15 мин) глубина оттаивания в

2 раза больше, чем при оттаивании без его удаления. Соотношение глубины оттаивания при постоянном и периодическом удалении грунта составило 1,5 раза. Это необходимо учитывать при разработке технологии оттаивания мерзлого грунта.

Полученные расчетно-экспериментальные зависимости искусственного оттаивания мерзлого грунта поверхностным радиационно-конвективным способом позволят рассчитать тепловую мощность установки, произвести ее конструкторский расчет и разработать действующий образец для испытаний.

Библиографический список

Вельсовский А. Ю., Синицын А. А., Карпов Д. Ф. Разработка концепции создания радиационно-конвективной мобильной установки для оттаивания мерзлых грунтов // Вузовская наука - региону: материалы восьмой всеросс. науч.-техн. конф.: в 2 т. Вологда: ВоГТУ, 2010. Т. 1. С. 309-311.

Синицын А.А., Суханов И.А., Рыбина Ю.В., Смирнова Е.В. К выбору оптимального способа и средства по оттаиванию мерзлого грунта // Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов

и оборудования: материалы пятой международ. науч.-техн. конф. Т. 2. Вологда: ВоГТУ, 2009. С. 146-149.

ГОСТ 25100-95 (2002) Грунты. Классификация. - Взамен ГОСТ 25100-82. Введен 1 июля 1996 г. (переиздан в январе 2002 г.).