CC BY
110
"ДК 621.56 в. А. МАКСИМЕНКО
В. С. ЕВДОКИМОВ А. А. ГЛАДЕНКО А. А. НОВИКОВ В. Д. ГАЛДИН
Омский государственный технический университет
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия, г. Омск
СИСТЕМА ЗАМОРОЗКИ ГРУНТА НА ОСНОВЕ ПАРОКОМПРЕССИОННОГО И ЕСТЕСТВЕННОЦИРКУЛЯЦИОННОГО ЦИКЛОВ____________________________
В настоящее время весьма бурно развивается нефтегазовая отрасль, из-за чего возникает необходимость в качественной транспортировке сырья. В этой связи появляется спрос на устройства, осуществляющие термостабилизацию грунтов и оснований магистральных трубопроводов.
Ключевые слова: сезонно-действующее охлаждающее устройство, термостабилизация грунта, естественный холод, зоны замораживания грунта
Сезонно-действующие охлаждающие устройства (СОУ Combined cooling device of the seasonal frozen soil dosed for the construction of compressor stations in the permafrost.) — термостабилизаторы грунта, служащие для замораживания талых и охлаждения пластичномерзлых грунтов под зданиями с проветриваемыми подпольями и без него, эстакадами и другими сооружениями с целью повышения их несущей способности и для предупреждения выпучивания свай в районах распространения вечномерзлых грунтов [1] (рис. 1).
Конструкция сезонно-действующих охлаждающих устройств ООО «Ньюфрост» представляет собой герметичную неразъемную сварную конструкцию, с глубиной подземной части до 14 метров, заправленную хладагентом: углекислотой или аммиаком. Устанавливается вертикально, наклонно под углом до 90 градусов к горизонту. Для предотвращения выпучивания свай «СОУ» устанавливаются под углом 10...
Ри^ 1. Надземная пpoклaдкa c щшменением тepмocтaбилизaтopoв
15 градусов к вертикали в непосредственной близости от нижнего конца сваи и имеют изоляцию в зоне деятельного слоя грунта (рис. 2).
Т возд ° С 3 а, ' У
1 R
V V
>:
Рис. 2. Схема процесса охлаждения грунта с помощью индивидуального парожидкостного СОУ-термостабилизатора: 1 - конденсатор, 2 - теплоизоляция, 3 - корпус испарителя, а - пленка конденсата, б - парообразный хладагент, в - граница промерзания грунта, г - жидкий хладагент, Ог - тепло, подводимое от грунта к испарителю, Ок - тепло, отводимое от конденсатора в окружающую среду
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012
Сентябрь 2002 Г. Октябрь 2007 г.
Рис. 3. Заваливание сваи
Недостатками этих систем являются:
— невозможность использования в условиях летнего периода;
— неэффективность использования при высоких среднегодовых температурах;
— неработоспособность при использовании их в условиях заболоченной местности с многочисленными подземными водными потоками.
Эти факторы приводят к потере несущей способности и устойчивости опорных конструкций магистральных трубопроводов и других сооружений (рис. 3).
На кафедре «Холодильная и компрессорная техника и технология» разработана конструкция экспериментального стенда для исследования характеристик комбинированных сезонно-действующих охлаждающих устройств магистральных трубопроводов (рис. 4). В отличие от серийных она имеет две попеременно работающих зоны конденсации А и В, одна из которых использует естественный холод в зимний период, когда температура наружного воздуха более низкая, чем температура грунта. Вторая зона работает, когда температура наружного воздуха становится равной или более высокой, чем температура грунта. Использование двух зон приводит к тому, что охлаждение грунта возможно проводить как в зимний, так и в летний периоды. Причем эти периоды охлаждения взаимно усиливают действие один другого, поскольку однажды аккумулированный в грунте естественный и искусственный холод только поддерживается на заданном уровне, а не возобновляется в каждый холодный период вновь [2].
С целью повышения эффективности, в устройстве для аккумуляции холода часть промежуточной трубы снабжена испарительной зоной Н2. В ней дополнительно расположен испаритель, выполненный в виде стакана изготовленного из теплоизоляционного материала. Во внутренней полости стакана расположена промежуточная труба для транспортирования жидкого хладагента. Такое решение позволяет разделить зоны промораживания грунта и обойти места с подземными водными потоками, с целью повышения несущей способности и для предупреждения выпучивания свай.
Устройство для аккумуляции холода включает 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 выполненный в виде трубки эллипсного сечения плотно навитой на термосваю 1 вокруг трубопровода 5 смонтирована оболочка с теплоизоляцией 6 для уменьшения теплопритоков от грунта к зоне А. Термосвая 1 помещается в грунт на глубину L (до 50 метров), 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 с размерами Я1, И2, т, И, г и бортиком I таким образом, чтобы бортик I 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 С. Испаритель 3 (рис. 5), выполненный из теплоизоляционного материала, через соединенную с внутренней стороны стакана промежуточную трубу 9, соединен с воронкой 10. Воронка 10 расположена на расстоянии Ц от конденсаторной зоны А и выполнена с трапециевидными отверстиями с размерами Я1, И2, т, И, г и бортиком I таким образом, чтобы бортик I 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 С.
Конденсаторная зона В выполнена из отдельных вертикальных труб 11, соединенных коллектором 12, и расположена на расстоянии НВ < 1,5 м, т.к. от грунта, в противном случае, если НВ < 1,5 м, по правилам эксплуатации требуется изготовление дополнительных площадок для обслуживания оборудования.
Устройство для аккумуляции холода содержит компрессорно-конденсаторный агрегат 13, состоящий из компрессора 14, конденсатора 15, расположенного на сплошном каркасе 16 и соединенный нагнетательным трубопроводом 17 и отводящим трубопроводом 18 при помощи терморегулирующего вентиля и гермомуфт с трубопроводом 5.
Сборка и работа устройства осуществляется следующим образом. Термосваю 1 помещают в грунт на глубину L до 50 метров, в испарительной зоне Н1 расположен испаритель 2, заполненный хладагентом, который через промежуточную трубу 7 соединен с воронкой 8, расположенной на расстоянии Ь2 от конденсаторной зоны А. В зоне А термосваи 1 размещают трубопровод 5 с теплоизоляцией 6 для уменьшения теплопритоков от грунта в зоне А.
А-А
Рис. 5. Стакан-испаритель
На расстоянии Н2 от зоны Ц расположен еще один испаритель 3, выполненный в виде цилиндрического стакана 3 с отверстием диаметром <33 в нижней части корпуса в котором размещена труба 9 загнутая под углом 90°, для заполнения жидким хладагентом стакана 3. На расстоянии Ц от зоны А расположена воронка 10 расположенная в трубе 9. Воронки испарителей 2 и 3 выполнены с трапециевидными отверстиями с размерами Ш, Я2, т, И, г и бортиком f таким образом, чтобы бортик f был направлен в сторону движения пара для сбора испаряющихся паров и поступления их в зоны конденсации А или В во избежание попадания хладагента в отверстия С.
С наступлением периода, когда среднесуточная температура наружного воздуха становится ниже 0°С, происходит охлаждение и замораживание грунта за счёт циркуляции хладагента между испарителями 2, 3 и конденсатором 4.
Циркуляция происходит следующим образом.
На жидкий хладагент, находящийся в испарительных зонах Н1 и Н2, причем зону Н1 можно изменять путем заполнения или отбора хладагента, воздействует температура грунта, при этом между наружной поверхностью испарителей 2 и 3 и внутренней поверхностью термосваи 1 начинает испаряться жидкий хладагент, пары которого движутся вверх между термосваей 1 и промежуточными трубами 7 и 9. Подойдя к воронкам 8 и 10 пары проходят через отверстия С и поступают в зону конденсации А или В и, в зависимости от температуры воздуха окружающей среды, конденсируются. Жидкий хладагент по стенкам термосваи 1 стекает к воронке 10, и поступает через промежуточную трубу 9 в зону Н2 испарителя 3, где происходит пе-
редача теплоты от грунта к кипящему хладагенту, избыток жидкого хладагента по стенкам испарителя 3 стекает к воронке 8, и поступает через промежуточную трубу 7 в зону Н1 испарителя 2 термосваи 1.
С наступлением периода, когда среднесуточная температура наружного воздуха становится выше 0°С, в термосвае 1 происходит повышение давления и циркуляция хладагента прекращается. Включается компрессорно-конденсаторный агрегат 13 давление в термосвае 1 понижается. Хладагент из компрессорно-конденсаторного агрегата 13, расположенного на сплошном каркасе 16, поступает в нагнетательный патрубок 17, а затем дросселируется в трубопровод 5, выполненный в виде трубки эллипсного сечения плотно навитой на конденсаторную зону А термосваи 1, где посредством теплообмена происходит конденсация хладагента находящегося в конденсаторной зоне А. Далее пары хладагента из трубопровода 5 поступают в отводящий трубопровод 18 и возвращаются в компрессорно-конденсаторный агрегат 13, где происходит их сжатие, конденсация, и пройдя нагнетательный трубопровод 17 хладагент дросселируется и возвращается в зону А. Далее цикл повторяется.
Предложенное устройство для аккумуляции холода позволяет разделить площади зоны испарения и при этом уменьшить их суммарную площадь. Благодаря этому уменьшатся и площадь зоны конденсации, что позволит снизить энергозатратность и металлоемкость устройства.
Библиографический список
1. Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях Севера / Под ред. Н. Н. Карнаухова. — М. : Изд. ЦентрЛитНефтеГаз, 2008. — 432 с.
2. Пат. 62617 Российская Федерация, МПК Е 02 Б 3/115. Устройство для аккумуляции холода / Афанасьев В. А, Максименко В. А., Шалай В. В. ; заявитель — Омский гос. техн. ун-т.— № 62617 ; заявл. 24.08. 06 ; опубл. 27.04.07, Бюл. № 12. — 2 с.
МАКСИМЕНКО Василий Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Компрессорные и холодильные машины и установки» ОмГТУ. ЕВДОКИМОВ Владимир Сергеевич, магистрант РТТ-610, ассистент кафедры «Компрессорные и холодильные машины и установки» ОмГТУ.
ГЛАДЕНКО Алексей Анатольевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация» ОмГТУ.
НОВИКОВ Алексей Алексеевич, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Информационноизмерительная техника» ОмГТУ.
ГАЛДИН Владимир Дмитриевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Городское строительство и коммунальное хозяйство» Сибирской автомобильно-дорожной академии, г. Омск.
Адрес для переписки: fr17z@list.ru
Статья поступила в редакцию 13.02.2012 г.
©В. А. Максименко, В. С. Евдокимов, А. А. Гладенко,
А. А. Новиков, В. Д. Галдин
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
