СПОСОБ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ГРУНТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК E02D3/115 

Изменение климата сказывается не только в южных районах потеплением в значительных регионах, но и потеплением в районах вечной мерзлоты. Это приводит к оттаиванию поверхностного слоя грунта. При нахождении строений на мерзлом грунте это может привести к их проседанию и разрушению. Примером может быть разрушение фундамента нефтехранилища на Таймыре. Сохранение мерзлоты в летнее время нужно и для опор под газопроводами и нефтепроводами и другими сооружениями, находящимися в безлюдных местах. Охлаждение грунта осуществляется в таких случаях с помощью жидкого азота [1] или сложных и дорогих холодильных машин, содержащих компрессор и сложное холодильное парокомпрессионное устройство [2]. Кроме этого необходимо иметь источник электроэнергии для привода компрессора, что усложняет конструкцию, требует затраты дополнительной энергии и технического обслуживания.

Для упрощения конструкции, технического обслуживания целесообразно охлаждение осуществить по предлагаемому способу замораживания грунта, заключающемуся в подаче ветрового потока на ветроустановку, крутящий момент которой передают на электрогенератор и компрессор, сжатый воздух которого направляют в теплообменник, где его охлаждают окружающим воздухом и направляют далее на вход вихревой трубы, где он дополнительно охлаждается, а холодный поток после теплообменника и горячий поток вихревой трубы выбрасывают в атмосферу, а на вход компрессора подают воздух из атмосферы.

Холодный поток может охлаждать грунт и без теплообменника посредством обдува поверхности грунта.

Для повышения эффективности холодный поток после теплообменника подают на вход цилиндра компрессора высокой степени сжатия, а горячий поток направляют в дополнительный теплообменник, установленный вверху, охлаждаемый окружающим воздухом, после чего, охладившийся в теплообменнике горячий поток, направляют в цилиндр компрессора низкой степени сжатия, а после сжатия в обоих цилиндрах воздух направляют в теплообменник, следующий за компрессором.

Таким образом, подогретый в теплообменнике холодный поток и горячий поток вихревой трубы испытывают действие подъемной силы перед поступлением в компрессор, что уменьшает его потребляемую мощность за счет тепловой энергии, потребляемой из теплообменника, расположенного в земле, и тепловой энергии горячего потока, полученной при разделении энергии в вихревой трубе.

В холодное время компрессор отключают и ветроустановка может работать на электрогенератор. При значительной мощности ветроустановки она может одновременно работать на компрессор и электрогенератор.

Для осуществления способа предлагается устройство для замораживания грунта.

На фиг. 1 показано устройство вихревой трубы. Она содержит сопло 1, дроссель 2, патрубок горячего потока 3, диафрагму 4.

Работает вихревая труба следующим образом. Сжатый воздух поступает в тангенциальное сопло 1, где он закручивается и разделяется на охлажденный осевой и горячий пристеночный поток. Температура холодного потока регулируется дросселем 2. При открытии дросселя уменьшается температура обоих потоков. Холодный поток выходит в атмосферу через диафрагму 4. Горячий - через дроссель 2.

На фиг. 2 показано устройство для замораживания грунта холодным потоком воздуха вихревой трубы с выбросом горячего потока в атмосферу. Оно содержит ротор 5, мультипликатор 6, муфты 7, 8, 9, компрессор 10, теплообменник №1 11, вихревую трубу 12 с диафрагмой 4 с дросселем 2 и патрубком холодного потока 13, теплообменника №2 14, трубопровод 15, электрогенератор 16. Работает устройство по фиг. 2 следующим образом по трем вариантам: работает только компрессор без электрогенератора. Воздушный поток вращает ротор 5, крутящий момент которого передается через мультипликатор 6 и муфты 7 и 8 на генератор 16 и компрессор 10, который сжимает воздух. Этот воздух поступает в теплообменник 11, где охлаждается атмосферным воздухом и поступает далее в вихревую трубу 12, где разделяется на охлажденный и горячий потоки. Охлажденный поток, с температурой значительно ниже ноля, через диафрагму 4 и патрубком холодного потока 13 поступает в теплообменник 14, где отбирает тепло от грунта и, имея еще отрицательную температуру, по трубопроводу 15 поступает на вход в компрессор 10, как и атмосферный воздух, и далее сжимается. Подача холодного воздуха в компрессор повышает его эффективность. Горячий поток через дроссель 2 выбрасывается в атмосферу.

При достаточной мощности ВУ может работать компрессор и электрогенератор. При этом муфта 9 разъединяется.

В зимнее время муфтами 7 и 9 компрессор 10 отключается и ротор вращает только электрогенератор 16, который подает электроэнергию потребителям или на аккумуляторы. При питании электрогенератора от внешнего источника энергии (или аккумулятора) муфты 7, 8 отключаются.

На фиг. 3 показано устройство для замораживания грунта холодным потоком воздуха вихревой трубы с повторным использованием давления горячего потока в компрессоре. Оно содержит ротор 5, мультипликатор 6, муфты 7, 8, 9, компрессор 10, теплообменник №1 11, вихревую трубу 12 с диафрагмой 4, дросселем 2, патрубком горячего потока 3, холодного потока 13, теплообменник №3 17 цилиндра компрессора высокой степени сжатия 18, цилиндр низкой степени сжатия 19, камеру смешения воздуха из обоих цилиндров 20, трубопровод 15, электрогенератор 16. Ротор 5 ветроустановки соединен мультипликатором 6 посредством муфты 7 с электрогенератором 16 и другой муфтой 9 - с компрессором 10, установленном вверху, который трубопроводом соединен с теплообменником №1 11, установленном вверху и следующей за ним вихревой трубой 12, установленной внизу. Теплообменник №3 17 сообщается с цилиндром низкой степени сжатия 19 и патрубком горячего потока через дроссель 2. Теплообменник №2 14 сообщается с вихревой трубой 12 через диафрагму 4 и трубопровод 15. Для повышения эффективности выход холодного потока после теплообменника №2 14 может быть соединен трубопроводом с цилиндром компрессора высокой степени сжатия 18, а патрубок горячего потока через дроссель 2 соединен со вторым дополнительным теплообменником №3 17, который далее соединен с цилиндром компрессора низкой степени сжатия.

Работает устройство по фиг. 3, как и по фиг. 2, следующим образом по трем вариантам: без использования электрогенератора; с использованием компрессора и электрогенератора; работа только электрогенератора без компрессора. На севере ветры имеются значительный период времени. При работе без использования электрогенератора: ветер вращает ротор 5 ветроустановки (ВУ), соединенный мультипликатором 6 через муфту 7 с компрессором 10. Электрогенератор отключен муфтами 8 и 9 Компрессор 10 сжимает воздух до давления 3-5 атм, который поступает в теплообменник №1 11, где он охлаждается наружным воздухом до температуры окружающей среды, после чего по трубопроводу поступает на вход вихревой трубы 12, где при вращении он разделяется на холодный и горячий потоки. Холодный поток температурой около (-20) - (-30)°С поступает в теплообменник №2 14, расположенный в грунте или на нем, после которого поступает в цилиндр высокой степени сжатия 18, а горячий поток, имеющий давление более высокое (порядка 1-1,5 атм), чем холодный поток, поступает в теплообменник №3 17, установленный вверху, где он охлаждается наружным воздухом до температуры окружающей среды и далее направляется в цилиндр компрессора низкой степени сжатия 19, где он сжимается и далее, совместно со сжатым холодным потоком поступает в теплообменник №1 11, где охлаждается до температуры окружающей среды. Холодный поток после теплообменника №2 14 имеет температуру, более низкую, чем окружающий воздух, около (-3) - (-5)°С, поэтому его низкий температурный потенциал целесообразно сохранить для уменьшения работы на компрессоре при сжатии.

В летнее время может работать и электрогенератор 16 и компрессор 10 при разъединенной муфте 9.

В холодное время года компрессор отключается с помощью муфт 7, 9 и работает только электрогенератор 16.

Ввиду инерционности тепловых процессов в грунте, не равномерность ветрового потока не скажется на общем состоянии мерзлого грунта. При слабом ветре может быть уменьшена потребляемая электрическая мощность или генератор может быть совсем отключен муфтами 8 и 9, а ротор будет вращать только компрессор через муфту 7.

При отсутствии ветра генератор может питаться от внешнего источника питания при разъединенных муфтах 7, 8 и вращать компрессор 10, работая в режиме двигателя.

Отличительной особенностью такого способа является то, что помимо отвода тепла после компрессора, как это имеет место в обычных парокомпрессионных установках, получаем дополнительный отвод тепла из системы от горячего потока вихревой трубы, что повышает эффективность отвода тепла. Горячая часть вихревой трубы также может охлаждаться наружным воздухом, что повысит ее эффективность.

Энергия, получаемая от грунта холодным потоком, повышает температуру воздуха (или другого агента), уменьшает его плотность, что создает дополнительно подъемную силу, уменьшая мощность компрессора на всасывание.

Такое устройство будет полезно для замораживания грунта под опорами газопроводов, линий ЛЭП и прочими сооружениями на Севере в труднодоступных районах, где оно будет работать без ежедневного технического ухода. Особо целесообразно его применение при использовании центробежных компрессоров, не требующих постоянного надзора и ухода.

Использованные источники:

1. Власов С.Н., Торгалов В.В., Виноградов Б.Н. Строительство метрополитенов / Под ред. С.Н. Власова. - М.: Транспорт, 1987. - 277 с.

2. Э.Г. Братута. Поэзия термодинамики. Харьков. 2010 - Издательский центр НТУ «ХПИ».С. 146.

Изобретение относится к замораживанию грунта под опорами газопроводов и нефтепроводов, линий ЛЭП и другими сооружениями на Севере в труднодоступных районах. Способ замораживания грунта воздушным потоком заключается в воздействии на него охлажденным потоком. Ветровым потоком воздействуют на ротор ветроустановки, крутящий момент которой передают на компрессор, сжатый воздух из которого направляют в теплообменник, где его охлаждают окружающим воздухом и направляют далее на вход вихревой трубы, где его разделяют на горячий и холодный потоки. Холодный поток направляют на замораживание грунта во второй теплообменник, расположенный на грунте или в нем, а после теплообменника холодный и горячий потоки после вихревой трубы направляют в атмосферу. Технический результат состоит в обеспечении упрощения конструкции, а также технического обслуживания. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ замораживания грунта воздушным потоком, заключающийся в воздействии на него охлажденным потоком, отличающийся тем, что ветровым потоком воздействуют на ротор ветроустановки, крутящий момент которой передают на компрессор, сжатый воздух из которого направляют в теплообменник, где его охлаждают окружающим воздухом и направляют далее на вход вихревой трубы, где его разделяют на горячий и холодный потоки, холодный поток направляют на замораживание грунта во второй теплообменник, расположенный на грунте или в нем, а после теплообменника холодный и горячий потоки после вихревой трубы направляют в атмосферу.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что холодный поток после отбора тепла из теплообменника, расположенного на грунте или в нем, подают совместно с атмосферным воздухом на вход в компрессор.

3. Способ по пп. 1, 2, отличающийся тем, что горячий поток направляют в дополнительный теплообменник, охлаждаемый окружающим воздухом, после чего этот поток направляют на вход цилиндра компрессора низкой степени сжатия, а после сжатия в обоих цилиндрах воздух направляют в следующий за компрессором теплообменник.

4. Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что в зимнее время компрессор отключают от ветроустановки.

5. Устройство для замораживания грунта, содержащее ветроустановку, соединенную передающим устройством посредством муфты с электрогенератором и другой муфтой с компрессором, который трубопроводом соединен с теплообменником и следующей за ним вихревой трубой, патрубок холодного потока соединен с теплообменником, расположенным в грунте или на нем, а выход из него сообщается с атмосферой, как и патрубок горячего потока и вход в компрессор.

6. Устройство для замораживания грунта по п. 5, отличающееся тем, что выход из теплообменника холодного потока соединен трубопроводом с цилиндром компрессора высокой степени сжатия, а патрубок горячего потока соединен со вторым теплообменником, охлаждаемым наружным воздухом и далее соединенным с цилиндром компрессора низкой степени сжатия.