УСТАНОВКА ДЛЯ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ГРУНТА Российский патент 1998 года по МПК E02D3/115 

Изобретение относится к строительству жилья и промышленным объектам с вечномерзлым основанием, может быть использовано для создания постоянных мерзлотных завес в зоне фильтрующих таликов, а также в холодильной технике и во всех случаях, где требуется обеспечить охлаждение до низких температур.

Известны установки замораживания грунта, применяемые для повышения его прочности, основанные на использовании тепловых труб и термосифонов, в которых рабочим телом служат фреон и/или авиационный керосин, имеющие высокую теплоемкость и низкую температуру замерзания [1].

Недостатком таких захолаживающих устройств является низкая эффективность, незащищенность системы в период летней оттепели и большие затраты рабочего тела высокой стоимости.

Наиболее близким по технической сущности является система замораживания грунта с помощью холодного атмосферного воздуха, закачиваемого в скважину вентилятором через коаксиальную колонку, погруженную в заранее пробуренную скважину [2].

Недостатком таких установок охлаждения является высокая инерционность процесса, требующая больших энергозатрат, невысокие значения температур, достигающие дна камеры (скважины), зарастание колонок льдом, сезонность процесса наморозки и большие эксплуатационные затраты вследствие необходимости обслуживать в сильные морозы.

Целью изобретения является обеспечение глубокого и быстрого охлаждения дна и ствола скважины и прилегающего грунта при любых климатических условиях.

Поставленная цель достигается тем, что установка для замораживания грунта и создания мерзлотных завес, включающая коллекторы подвода и отвода рабочего тела, соединенные с коаксиальной колонкой, дополнительно снабжена вихревым охладителем рабочего тела в виде сжатого газа, установленным на дне колонки, и трубой подвода к вихревому охладителю сжатого газа, размещенной внутри колонки, при этом один отвод потока вихревого охладителя направлен вниз, а другой отвод вихревого охладителя - вверх встречно под воду сжатого газа.

Предлагаемая совокупность новых признаков обеспечивает достижение поставленной цели вследствие высокой эффективности вихревого охладителя как генератора холода без вращающихся частей, возможности размещения вихревого охладителя в любой требуемой точке скважины по ее глубине и высокой скорости отводимого холодного потока, что способствует увеличению коэффициента теплоотдачи.

На фиг. 1 изображена предлагаемая установка; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Установка включает вихревой охладитель 1, отвод 2 холодного потока, камеру 3 расширения вихревого охладителя, отверстия 4 для выхода части потока из камеры расширения, улитку 5, трубу 6 подвода газа к вихревому охладителю, коаксиальную трубу 7, обсадную трубу 8 с дном, отверстия 9 для перепуска газа в коаксиальной трубе.

Работает установка следующим образом.

Сжатый газ давлением свыше 0,6 МПа (6 атм) подводится к вихревому охладителю 1 по трубе 6, которая сужена перед охладителем и пропущена по его оси для обеспечения лучшего охлаждения входного потока. В улитке поток ускоряется до звуковой скорости, а затем расширяется в камеру 3, где часть потока через отверстия 4 выводится внутрь коаксиальной трубы 7 и далее поднимается вверх встречно входному потоку. Другая более холодная часть потока отводится вниз через отвод 2, охлаждая дно и основание обсадной трубы, а затем прилегающий грунт. Часть газа из коаксиальной трубы 7 через отверстия 9 удаляется в пространство между трубами 7 и 8, обеспечивая более интенсивное охлаждение верхней части скважины. С увеличением входного давления, подводимого к вихревому охладителю, линейно понижается температура холодного потока, поэтому в предложенном техническом решении скорость охлаждения и холодопроизводительность регулируются изменением входного давления. Схема по фиг. 1 соответствует существующим системам охлаждения скважин при наличии коаксиальной трубы 7, через которую производят закачку окружающего холодного воздуха. Но при сооружении новых мерзлотных завес необходимость в них отпадает, потому что система может работать эффективно и без нее, так как объем пространства скважины несоизмерим с объемом камеры расширения, что гарантирует получение низких температур в охладителях газа.

Сравнительные расчеты по определению времени замораживания грунта для создания водонепроницаемой завесы по предлагаемой технологии, обеспечивающей подачу на дно скважины температуру -100^oC, и существующей, где эта температура достигает -13^oC, составляют 4,7 сут., а фактическое время при температуре окружающего воздуха не ниже -40^oC составляет 40 сут. Соотношение энергозатрат предлагаемого способа охлаждения скважины и существующего разнятся в 2,3 раза в пользу предлагаемой технологии. Кроме того, наличие глубокого холода в требуемом месте позволяет отказаться от технологии непрерывности и достаточно ударного охлаждения в течение 5-6 ч при температуре -100^oC, чтобы защитить скважину глубиной 30 м от растепления на летный период.

В качестве рекомендаций наилучшего варианта реализации предлагаемой технологии следует обсадные трубы и коаксиальную колонку выполнять из алюминиевых сплавов, подвод газа к вихревым охладителям производить гибким трубопроводом, изменением длины которого достигается быстрое охлаждение мест растепления.

Компрессор для подачи сжатого газа к вихревым охладителям должен иметь надежную систему осушки, чтобы предотвратить образование льда на стенке обсадной трубы.

Установка для замораживания грунта и создания мерзлотных завес снабжена вихревым охладителем газа, установленным на дне колонки. Один отвод холодного потока вихревого охладителя направлен вниз, а другой - вверх встречно подводу сжатого газа. За счет того, что вихревой охладитель позволяет понижать температуру части входного потока до -100^oС и может быть установлен на любой глубине скважины, достигается быстрое охлаждение дна и ствола скважины с прилегающим грунтом. При этом энергозатраты на охлаждение при использовании установки оказываются гораздо меньшими, чем требуют существующие системы, работающие только зимой за счет прокачки окружающего воздуха. 2 ил.

Установка для замораживания грунта и создания мерзлотных завес, включающая коллекторы подвода и отвода рабочего тела, соединенные с коаксиальной колонкой, отличающаяся тем, что установка дополнительно снабжена вихревым охладителем рабочего тела в виде сжатого газа, установленным на дне колонки, и трубой подвода к вихревому охладителю сжатого газа, размещенной внутри колонки, при этом один отвод потока вихревого охладителя направлен вниз, а другой отвод вихревого охладителя направлен вверх встречно подводу сжатого газа.