Устройство для охлаждения вечномерзлых грунтов

Полезная модель относится к области мостостроения, а именно к устройствам по поддержанию отрицательной температуры грунтов при сооружении свайных фундаментов опор мостов на вечномерзлых грунтах. Устройство для охлаждения вечномерзлых грунтов выполнено из сталежелезобетонной оболочки, частично погруженной ниже уровня естественной поверхности грунта, а 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. Новым в предлагаемой полезной модели является то, что замкнутая сквозная полость выполнена из двух параллельных стальных труб - трубы для нисходящих потоков и трубы для восходящих потоков. Сталежелезобетонная оболочка сформирована объемлющей стальной трубой, ограничивающей трубы для нисходящих и восходящих потоков, пространство между которыми за исключением длины теплообменника заполнено бетоном или железобетоном. 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. 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, а внизу трубы для нисходящих и восходящих потоков соединены нижним каналом. Размер длины выреза «l» в трубе для нисходящих потоков определяют из соответствующей зависимости. Технический результат - увеличение эффективности работы устройств для охлаждения вечномерзлых грунтов, выполненных из сталежелезобетонных оболочек. 1 н.п. ф-лы, 3 ил.

Полезная модель относится к области мостостроения, а именно к устройствам по поддержанию отрицательной температуры грунтов при сооружении свайных фундаментов опор мостов на вечномерзлых грунтах.

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).

Недостаток таких опор состоит в малой несущей способности и в том, что металл подвергается коррозии.

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).

Недостаток этого устройства состоит в резком ухудшении степени охлаждения грунтов основания вследствие увеличения термического сопротивления стенок оболочки.

Задача предлагаемой полезной модели состояла в увеличении эффективности работы устройств для охлаждения вечномерзлых грунтов, выполненных из сталежелезобетонных оболочек.

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.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где представлено:

на фиг.1 - сечение оболочки плоскостью, проходящей через ее продольную ось (сечение А-А на фиг.2 и 3);

на фиг.2 - сечение Б-Б на фиг.1;

на фиг.3 - сечение В-В на фиг.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).

Устройство для охлаждения вечномерзлых грунтов работает следующим образом.

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.

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.

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.

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

lh_т,

l·a·r²,

где l - длина выреза в трубе для нисходящих потоков, м;

h_т - 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.