ТЕРМОСВАЯ Советский патент 1995 года по МПК E02D3/115 F28D15/00 

Изобретение относится к строительству на вечномерзлых грунтах и касается выполнения парожидкостных термосвай как несущих конструкций свайных фундаментов.

Цель изобретения повышение эффективности работы термосваи.

На фиг. 1 изображена описываемая термосвая, продольный разрез; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 узел I на фиг.1; на фиг.4 узел II на фиг.1.

Термосвая содержит трубчатый корпус, состоящий из трех последовательно соединенных секций 1, 2 и 3. Верхняя секция 1 и нижняя секция 3 имеют одинаковый диаметр. Диаметр средней секции 2 меньше диаметра смежных секций в 2-3 раза. Высота нижней секции 3 равна 0,3-0,5 высоты средней секции 2 (обычно заглубленная часть несущих термосвай составляет 4-8 мм, при этом нижний предел с учетом относительной эффективности должен использоваться для длинных термосвай, верхний для коротких). Средняя секция 2 соединена с верхней при помощи кольца 4 и имеет на этом стыке распределитель 5 жидкой фазы теплоносителя, выполненный, например, в виде многозаходной резьбы на внутренней поверхности средней секции 2 с длиной нарезки, равной 1-2 шагам резьбы.

Нижняя секция 3 соединена со средней при помощи кольца 6, имеющего внутреннюю коническую поверхность 7, угол конусности которой ≅120^о. Коническая поверхность 7 при помощи поверхности 8 плавно сопрягается с внутренней поверхностью средней секции 2. На верхней части внутренней поверхности нижней секции 3 выполнена резьба 9, соприкасающаяся в рабочем состоянии с донной жидкой фазой теплоносителя (донная жидкость).

Средняя секция 2 имеет наружное оребрение 10, обеспечивающее равнопрочность корпуса термосваи.

Термосвая заглублена в грунт таким образом, что нижний торец верхней секции 1 располагает на уровне деятельного слоя 11.

Термосвая работает следующим образом.

В зимний период пары теплоносителя конденсируется в надземной части корпуса термосваи и образующаяся при конденсации жидкость стекает к распределителю 5. Распределитель 5 выравнивает жидкую пленку по периметру внутренней поверхности средней секции 2. Жидкая пленка полностью смачивает эту поверхность, так как, во-первых, она имеет существенно меньший диаметр и, во-вторых, существует транзитный поток жидкости в этой пленке, оставшийся от ее испарения на этой поверхности.

Этот транзитный поток с внутренней поверхности средней секции 2 по сопряженной с ней поверхности 8 и конической поверхности соединительного кольца 4 стекает на резьбу 9 нижней секции 3 и по винтовой поверхности этой резьбы стекает в донную жидкость 12. При течении пленки по поверхностям 8 и 7 и резьбе 9 жидкость непрерывно испаряется из этой пленки. При этом указанные поверхности принудительно полностью смачиваются независимо от толщины пленки. Поверхности 8 и 7 смачиваются полностью по следующим причинам: по причине естественной спиральной шероховатости, образующейся в результате механической обработки и способствующей смачиванию; по причине наличия транзитного потока жидкости, стекающей на резьбу 9 и составляющей 30-40% от потока, поступающего на распределитель 5. Резьба 9 смочена полностью потому, что жидкость вынуждена стекать по ее винтовой поверхности вплоть до уровня донной жидкости 12. В донную жидкость 12 стекает такое количество жидкости, какое испаряется с ее верхней поверхности. Сама донная жидкость 12 при этом находится в движении. Слои жидкости 12, прилегающие к внутренней цилиндрической поверхности секции 3, нагреваются от нее и поднимаются на поверхность. На поверхности они охлаждаются на счет испарения и по оси корпуса опускаются, образуя таким образом замкнутый торообразный поток, передающий тепло от грунта путем естественной конвекции донной жидкости.

Поскольку вся поверхность нижней секции 3, прилегающей к донной жидкости 12, принудительно смочена стекающей пленкой и охлаждается за счет ее испарения, охлаждающее действие донной жидкости распространяется только на прилегающую к ней область грунта и становится таким же эффективным, как и охлаждающее действие тех участков, которые смочены стекающей пленкой.

Таким образом, вся поверхность подземной части термосваи интенсивно участвует в охлаждении грунта, однако удельные тепловые потоки к секциям 2 и 3 неодинаковы.

К нижней секции 3, кроме грунта, распространяющегося в радиальном направлении, прилегают глубинные слои грунта, которые также необходимо охладить, чтобы предотвратить возникновение с их стороны летних отепляющих потоков через термосваю. Эти глубинные слои охлаждаются за счет восходящего теплового потока к слоям грунта, охлаждаемого нижней секцией 3, поэтому удельный тепловой поток к нижней секции 3 должен быть больше, чем к средней секции 2. Эта задача в зимнее время и выполняется за счет разницы в диаметрах секций 2 и 3 с учетом отсутствия "сухого" участка в секции 3.

Если рассмотреть тепловое сопротивление грунта, прилегающего к нижней секции 3, и тепловое сопротивление грунта, прилегающего к средней секции 2, то разница этих тепловых сопротивлений будет представлять собой тепловое сопротивление стенки грунтового цилиндра с включенными в его тело радиальными ребрами 10. Эта разница необходима и достаточна для опережающего охлаждения грунта, прилегающего к нижней секции 3, при сохранении достаточной эффективности средней секции 2, благодаря чему летняя отепляющая конвекция со стороны нижней секции 3 практически исключается.

С наступлением летнего периода аккумулированный в грунте холод начинает рассеиваться по радиусу от термосваи, а также вверх и вниз от охлажденной зоны грунта, однако сама термосвая в этом процессе не участвует (кроме металла корпуса).

Конвективные отепляющие потоки перегретого пара замыкаются в верхней секции 1 и не проникают в среднюю секцию 2 из-за существенной разницы их диаметров. Линии тока нижнего тора в верхней секции 1 вблизи отверстия средней секции 2 поворачивают на 90^о и образуют застойную зону на уровне верхнего торца средней секции 2.

Парожидкостная отепляющая конвекция со стороны нижней секции 3 исключена, как указано выше, опережающим охлаждением грунта этой секции в зимний период, поэтому остаются только отепляющие потоки через металл корпуса. Но эти потоки на порядок меньше конвективных, так как основная часть тепла, поступающего от нагретой выступающей из грунта части корпуса, рассеивается в деятельном слое. Кроме решения чисто теплотехнической задачи, уменьшенный диаметр средней секции 2 обеспечивает наличие грунта между ребрами 10 на этом участке, в связи с чем сдвиг под нагрузкой наблюдается не по поверхности смерзания, а грунта по грунту на диаметре радиальных торцов ребер 10, равном диаметру секций 1 и 3, поэтому несущая способность термосваи возрастает не только за счет понижения температуры грунта, но и за счет изменения характера сопротивления этого грунта приложенной к нему нагрузке.

Таким образом, использование описываемой термосваи за счет уменьшения летних отепляющих потоков существенно повышает остаточный запас холода в зоне прилегающего к ней вечномерзлого грунта, испытывающего механические нагрузки.

Изобретение относится к выполнению термосваи и позволяет повысить эффективность ее работы. Термосвая выполнена составной из верхней 1, средней 2 и нижней 3 секций. Средняя секция 2 выполнена диаметром, меньшим диаметра верхней и нижней секций в 2 3 раза. Верхняя секция 1 заглублена в грунт до уровня деятельного слоя 11. Высота нижней секции 3 равна 0,3 0,5 высоты средней секции. Средняя секция 2 выполнена с наружными ребрами 10 и состыкована с верхней секцией 1 посредством кольца 4 с распределителем жидкой фазы теплоносителя, а с нижней секцией 3 посредством кольца 6 с внутренней конической поверхностью. 4 ил.

1. ТЕРМОСВАЯ, включающая частично заглубленный в грунт и заполненный двухфазным теплоносителем трубчатый корпус, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности работы термосваи, корпус выполнен составным по высоте из секций, причем средняя секция имеет диаметр, меньший диаметра крайних секций. 2. Термосвая по п.1, отличающаяся тем, что средняя секция корпуса выполнена с наружным оребрением и имеет диаметр, в 2 3 раза меньший диаметра крайних секций. 3. Термосвая по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что средняя секция корпуса сопряжена с верхней в уровне нижней границы деятельного слоя грунта, а высота нижней секции составляет 0,3 0,5 высоты средней секции.