ТЕПЛОВАЯ СВАЯ Российский патент 2005 года по МПК E02D3/115 E02D3/11 E02D3/12 

Предлагаемое изобретение относится к строительным теплотехническим сооружениям и может быть использовано в качестве опор различных сооружений на вечной мерзлоте.

Известна свая (Официальный бюллетень ИЗОБРЕТЕНИЯ № 45, опубл. 7 декабря 1992, НПО “Поиск”, стр.61, патент № 1779705, кл. Е 02 D 5/30; Е 02 D 5/48, приоритет 05.03.91), включающая сужающийся книзу ствол с наружными крестообразно расположенными продольными ребрами, которые выполнены таврового поперечного сечения и примыкают к стволу торцами стенок, а ствол - пирамидальным, при этом верхняя часть ствола выполнена в виде многогранного оголовка, грани которого образованы продолжениями полок ребер и граней ствола.

Данная свая позволяет увеличить на нее усиление, т.е. обладает повышенной несущей способностью.

Недостаток ее заключается в том, что она не может быть эффективно использована в условиях вечной мерзлоты, так как в зимнее время не обеспечивает интенсивный отвод тепла из углубленной части грунта на его поверхность и в окружающий воздух для замораживания и понижения его температуры в достаточно большом объеме для использования его в качестве жесткой опоры тяжелых сооружений при выполнении условия, исключающего оттаивание грунта за летний период. Оттаивание вечной мерзлоты в летнее время, в том числе за счет теплоты сооружения, обладающего большой массовой теплоемкостью и которое аккумулирует большое количество тепла в летнее время, а также и за счет внутреннего его тепловыделения, например, при отоплении сооружения, приводит к его оседанию, наклонению или к разрушающим сооружение нагрузкам.

Известна свая (Официальный бюллетень изобретения № 45, опубл. 7 декабря 1992, НПО “Поиск”, Москва 1992, стр.61, патент № 1779708, кл. Е 02 D 5/38, приоритет 20.02.91), включающая ствол с арматурным каркасом и защищенной оболочкой, выполненной в виде стакана, днище которого совмещено с подошвой ствола, причем стакан выполнен из бетона на основе саморасширяющегося цемента, который в пределах зоны сезонного промерзания и оттаивания грунта содержит пористый заполнитель с объемной массой, меньшей объемной массы растворной части.

Свая обладает повышенной морозостойкостью ствола в зоне сезонного промерзания и оттаивания грунта.

Недостаток ее заключается в том, что она не обеспечивает достаточной тепловой связи с окружающим ее грунтом и не может эффективно использоваться для его охлаждения, замораживания в зимнее время. Причиной этого является материал с низким теплопроводным свойством, из которого она выполнена.

В качестве прототипа выбрана тепловая свая (книга С.Чи. Тепловые трубы. Теория и практика. Перевод с английского В.Я.Сидорова. Москва, Машиностроение, 1981, стр.38-40, 20-21), включающая ствол с внутренней или внешней тепловой трубой (ТТ). Тепловая свая предназначена для защиты вечной мерзлоты. ТТ, работая как тепловой диод, охлаждает и замораживает почву зимой на полную глубину ее установки, когда температура воздуха ниже температуры ТТ, погруженной в грунт. Летом тепловая труба не будет действовать, так как существующего капиллярного давления недостаточно для перекачки жидкого теплоносителя против силы тяжести в верхнюю часть тепловой трубы, и, таким образом, вечная мерзлота будет оттаивать только с поверхности. Благодаря сохранению массы грунта вокруг ТТ в вечно мерзлом состоянии оседание и выпучивание грунта будет уменьшено и осадка конструкции будет практически исключена.

Недостатком прототипа является то, что в ТТ с известными фитилями (см. стр.20-21 указанной книги автора С.Чи) не обеспечивается возможность удерживать рабочую жидкость на внутренней вертикальной поверхности испарителя с равномерным ее распределением и испарением по всей высоте (около 10-15м), так как существующего капиллярного давления в фитилях не достаточно для этого. Это приводит к скоплению и испарению жидкого теплоносителя в нижней части испарителя, что уменьшает зону интенсивного охлаждения грунта по всей высоте испарителя и тем самым снижает эффективность работы тепловой сваи.

Другой недостаток прототипа заключается в ограниченной зоне охлаждения грунта вокруг испарителя ТТ в направлениях поперечных плоскостей ее сечения. Это связано с недостаточным габаритным размером диаметра испарителя ТТ, а также с ограниченными габаритными размерами ее конденсатора, а значит и ограниченной внутренней поверхностью для конденсации паров рабочей жидкости, что снижает эффективность работы ТТ.

Недостатком прототипа также является то, что в случае выхода из строя ТТ возникает проблема замены неисправной тепловой сваи на исправную. Дело в том, что задача искусственного поддержания вечной мерзлоты стоит для тундровых регионов, где летом образуются труднопроходимые для техники болота и поэтому установку и замену тепловых свай осуществляют в зимнее время, когда верхний слой грунта становится достаточно замерзшим, чтобы удерживать на поверхности передвижную буровую установку, кран, транспорт для перевозки тепловых свай. Но в это же время неисправная тепловая свая оказывается вмерзшей как минимум в верхнем слое грунта и просто краном ее не вытянуть из грунта. Это приводит к усложнению замены неисправной сваи.

Цель предложенного решения - повышение эффективности работы и упрощение замены неисправной тепловой сваи.

Поставленная цель достигнута за счет того, что тепловая свая выполнена Т-образной формы, а тепловая труба в виде оребренного испарителя выполнена симметрично двойной относительно оси ствола с соединением одних концов ее испарителей, другие концы соединены с конденсаторами, при этом оребрение испарителей выполнено в виде выпуклых вверх кольцевых поверхностей с центральными проходами, закрепленных на внутренних поверхностях стенок испарителей тепловой трубы и равномерно распределенных по ее высоте, а металлическое пластинчатое оребрение конденсаторов является элементом горизонтальной части Т-образной тепловой сваи, к поверхностям конденсаторов приварены штуцеры для подключения системы аварийного оттаивания тепловой сваи.

Суть предложенного решения заключается в том, что:

1. Увеличена зона охлаждения грунта вокруг оребренных испарителей 3 ТТ 2 как в поперечном, так и в продольном направлениях. В поперечном - за счет увеличения поперечного габаритного размера оребренных испарителей 3 ТТ 2, так как они выполнены симметрично двойными относительно продольной оси ствола 1 с соединением 6 их концов. В продольном - за счет равномерного распределения рабочей жидкости и ее испарения по всей высоте оребренных испарителей 3, что обеспечено за счет того, что на внутренних стенках 9 оребренных испарителей 3 выполнены равномерно распределенные по высоте выпуклые вверх кольцевые поверхности 7 с внутренними краями выше их наружных краев. Каждая из таких выпуклых вверх кольцевых поверхностей 7 удерживает и обеспечивает постоянное испарение рабочей жидкости около внутренних поверхностей 9 стенок оребренных испарителей 3 по кольцевому периметру с интенсивным ее охлаждением и окружающего их грунта. Совокупность всех выпуклых вверх кольцевых поверхностей 7 обеспечивает процесс испарения рабочей жидкости равномерно по всей высоте оребренных испарителей 3 ТТ 2 и таким образом обеспечивается повышение эффективности работы тепловой сваи.

Кроме того, дополнительно увеличена зона охлаждения замерзшего грунта вокруг оребренных испарителей 3 за счет увеличения отвода тепла в окружающий воздух в зимнее время от конденсаторов 4 ТТ 2. Это достигнуто за счет увеличения их габаритных размеров и внутренних поверхностей конденсации паров рабочей жидкости, так как он выполнен симметрично двойным относительно продольной оси тепловой сваи.

2. Упрощена замена тепловой сваи путем подъема ее краном из предварительно оттаянного грунта вокруг ствола 1 тепловой сваи путем обеспечения циркуляции горячей воды или пара во внутренней полости ТТ 2 специальной тепловой установкой, которую подключают к штуцерам 10 для системы аварийного оттаивания тепловой сваи, выполненным с возможностью просверливания отверстий в стенках конденсаторов 4 со стороны внутренних полостей штуцеров 10.

Анализ известных технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии признаков, сходных с совокупностью признаков заявляемого объекта.

Предложенное техническое решение тепловой сваи показано на фиг.1 и 2. На фиг.1 показана тепловая свая с железобетонным стволом, на фиг.2 - с металлическим стволом, на фиг.3 - сечение А-А на фиг.1, на фиг.4 - сечение А-А на фиг.2.

Тепловая свая выполнена Т-образной формы и включает: железобетонный или металлический ствол 1 с внутренней или наружной тепловой трубой 2 в виде оребренного испарителя 3 и конденсаторами 4, выполненными с металлическим пластинчатым оребрением 5 и расположенными над поверхностью грунта наклонно к вертикальной части ствола 1. Тепловая труба 2 в виде оребренного испарителя 3 выполнена симметрично двойной относительно оси ствола 1 с соединением 6 одних концов ее испарителей 3, другие концы соединены с конденсаторами 4, при этом оребрение испарителей 3 выполнено в виде выпуклых вверх кольцевых поверхностей 7 с центральными проходами 8, закрепленных на внутренних поверхностях стенок 9 испарителей 3 тепловой трубы 2 и равномерно распределенных по ее высоте, а металлическое пластинчатое оребрение 5 конденсаторов 4 является элементом горизонтальной части Т-образной тепловой сваи. К поверхностям конденсаторов 4 приварены штуцеры 10 для подключения системы аварийного оттаивания тепловой сваи.

Тепловые сваи устанавливаются в вечную мерзлоту в зимнее время путем просверливания в ней с помощью буровой установки колодцев. Затем сваи выставляют и закрепляют между собой, после чего в зазоры колодцев заливают воду, которая замерзает и жестко связывает всю конструкцию в вечной мерзлоте. Замерзанию залитой воды в зазоры колодцев в вечной мерзлоте способствует также работа ТТ 2, когда температура окружающего воздуха ниже температуры вечной мерзлоты. При этом начинается охлаждение грунта вокруг испарителей 3 до температуры, практически равной температуре окружающего воздуха.

Тепловая свая работает следующим образом. В зимнее время, когда температура окружающего воздуха в тундровой полосе Земли находится на уровне (например, минус 40°С) ниже, чем температура грунта, окружающего сваю, то он будет интенсивно охлаждаться практически до температуры окружающего воздуха. Рабочая жидкость, например аммиак, испаряется в выпуклых вверх кольцевых поверхностях 7 оребренных испарителях 3, пар поднимается вверх по центральным проходам 8 в более холодные по сравнению с оребренными испарителями 3 конденсаторы 4, в которых конденсируется и стекает по стенкам снова в оребренные испарители 3, равномерно заполняя выпуклые вверх кольцевые поверхности 7 по всей высоте испарителей 3, и таким образом обеспечивается интенсивное охлаждение оребренных испарителей 3 и окружающего их грунта по всей их высоте.

Количество заправки рабочей жидкости осуществляют такое, чтобы при максимальном теплоотводе от оребренных испарителей 3 жидкость была во всех выпуклых вверх кольцевых поверхностях 7.

Так как ТТ 2 выполнена симметрично двойной относительно продольной оси ствола 1, то это позволило примерно в 2 раза повысить эффективность охлаждения грунта вокруг оребренных испарителей 3.

В летнее время ТТ 2 не работает, так как температура конденсаторов 4 выше температуры оребренных испарителей 3 и пар не конденсируется в них. При этом прекращается жидкостно-паровая циркуляция рабочей жидкости в ТТ 2 и отвод тепла от оребренных испарителей 3 к конденсаторам 4 прекращается, что обеспечивает сохранение вечной мерзлоты на глубине как жесткой опоры для свай в летнее время, несмотря на то, что верхний слой грунта находится в оттаянном состоянии. Чем глубже установлена свая и чем более интенсивно она охлаждает окружающий грунт вокруг себя в зимнее время, тем прочнее и надежнее она служит опорой в летнее время.

На случай выхода ТТ 2 из строя, например, при ее разгерметизации, предусмотрена упрощенная возможность ее замены с минимальными затратами по объему работ. Для этого к поверхностям конденсаторов 4 приварены штуцеры 10 для подключения системы аварийного оттаивания тепловой сваи с возможностью выполнения отверстий в стенках конденсаторов 4 со стороны внутренних полостей штуцеров 10, например, сверлением. После выполнения в стенках конденсаторов 4 отверстий, к штуцерам 10 подключают водяную или паровую тепловую установку и осуществляют прокачку горячей воды или пара через полость ТТ 2 до оттаивания сваи по всей длине. Об оттаивании можно судить по разнице температур воды или пара на входе и выходе штуцеров 10. После оттаивания ТТ 2 ее поднимают краном, а вместо неисправной устанавливают другую, исправную сваю.

Предложенная конструкция тепловой сваи Т-образной формы с металлическим пластинчатым оребрением 5 конденсаторов 4, выполненным одновременно элементами горизонтальной части сваи, позволила не только обеспечить достаточно развитую внешнюю поверхность для интенсивного охлаждения конденсаторов 4 в зимнее время, но и обеспечить прочность ТТ 2, соединенной с тепловой сваей. Если тепловая свая металлическая, то ТТ 2 может просто привариваться к стальному стволу 1 и к металлическому оребрению 5. В случае не очень больших нагрузок сама тепловая труба может служить одновременно сваей, например, для площадок запуска воздушных метеорологических зондов или для автоматических радиомаяков. Для более мощных сооружений, для строительства зданий, дорог и т.п. целесообразно тепловые сваи делать железобетонньми, при этом ТТ 2 служит частью металлической арматуры.

То, что оребрение испарителей 3 выполнено в виде выпуклых вверх кольцевых поверхностей с внутренними краями выше их наружных краев, позволяет обеспечить не только их функциональное назначение, но и закреплять их на внутренних стенках 9 испарителей 3 с равномерным упругим напряжением по их внешним периметрам и тем самым обеспечить простоту, надежность и достаточную плотность сопряженного соединения.

В настоящее время на предприятии изготовлен действующий образец ТТ для тепловой сваи и идет подготовка ее к испытаниям в условиях, приближенных к условиям эксплуатации.

Изобретение относится к строительным теплотехническим сооружениям и может быть использовано в качестве опор различных сооружений на вечной мерзлоте. Тепловая свая включает железобетонный или металлический ствол с внутренней или наружной тепловой трубой в виде оребренного испарителя и конденсаторами, выполненными с металлическим пластинчатым оребрением и расположенными над поверхностью грунта наклонно к вертикальной части ствола. Новым является то, чтотепловая свая выполнена Т – образной формы, а тепловая труба в виде оребренного испарителя выполнена симметрично двойной относительно оси ствола с соединением одних концов ее испарителей, другие концы соединены с конденсаторами, при этом оребрение испарителей выполнено в виде выпуклых вверх кольцевых поверхностей с центральными проходами, закрепленных на внутренних поверхностях стенок испарителей тепловой трубы и равномерно распределенных по ее высоте, а металлическое пластинчатое оребрение конденсаторов является элементом горизонтальной части Т – образной тепловой сваи. Технический результат изобретения состоит в повышении эффективности работы тепловой сваи, а также в упрощении замены в случае ее неисправности. 1 з.п.ф-лы, 4ил.

1. Тепловая свая, включающая железобетонный или металлический ствол с внутренней или наружной тепловой трубой в виде оребренного испарителя и конденсаторами, выполненными с металлическим пластинчатым оребрением, и расположенными над поверхностью грунта наклонно к вертикальной части ствола, отличающийся тем, чтотепловая свая выполнена Т-образной формы, а тепловая труба в виде оребренного испарителя выполнена симметрично двойной относительно оси ствола с соединением одних концов ее испарителей, другие концы соединены с конденсаторами, при этом оребрение испарителей выполнено в виде выпуклых вверх кольцевых поверхностей с центральными проходами, закрепленных на внутренних поверхностях стенок испарителей тепловой трубы и равномерно распределенных по ее высоте, а металлическое пластинчатое оребрение конденсаторов является элементом горизонтальной части Т-образной тепловой сваи. 2. Тепловая свая по п.1, отличающаяся тем, что к поверхностям конденсаторов приварены штуцеры для подключения системы аварийного оттаивания тепловой сваи.