НАША БИБЛИОТЕКА / Список публикаций

 

Разработка, создание и внедрение длинномерных
 составных двухфазных термосифонов.


Баясан Р.М.*, Лобанов А.Д.*, Баясан Т.В.*, Лобанов М.А.*, Голубин С.И.**, Пустовойт Г.П.***
*АОЗТ «Интер Хит Пайп», **ООО «Газпром ВНИИГАЗ», *** МГУ им. М.В. Ломаносова.

В последние 15-20  лет в России  при строительстве, эксплуатации и ремонте объектов промышленного и гражданского назначения  в криолитозоне нашла широкое применение технология термостабилизации мерзлых грунтов оснований и фундаментов. Эта технология является наиболее эффективным активным методом инженерной защиты многолетних мерзлых пород (ММП) от деградации, происходящей вследствие  теплового воздействия сооружений.

В качестве технических средств термостабилизации применяются сезонные охлаждающие устройства  (СОУ) – двухфазные термосифоны. Такие двухфазные термосифоны, как термостабилизаторы типа ТМД-4, ТМД-5, ТМД-5М, ТСГ-6 и др. многие годы успешно эксплуатируются на объектах ОАО «Газпром», РАО ЕЭС, РАО РЖД, и др. в Западной и  Восточной Сибири, республике Саха, на Чукотке [1,2,3,4]. Однако такие одиночные двухфазные термосифоны любого типа и модификации имеют максимальную общую длину не более 12,0 м., что обусловлено условиями изготовления, транспортировки и монтажа на месте внедрения.  А это сокращает сферы  возможного  применения технологии  и технических средств термостабилизации ММП.

Для решения задач инженерной защиты грунтов оснований площадных сооружений больших размеров, устьев скважин, а также создания мерзлотных завес, мерзлого ядра земляных плотин, дамб и т. п. глубинами в десятки метров были проведены исследования с целью разработки и создания длинномерного охлаждающего устройства. При этом длинномерный двухфазный термосифон (ДДТ) должен был обладать термодинамическими и теплофизическими характеристиками, близкими к одиночным термосифонам (длиной не более 12,0 м.), по возможности,   полной заводской готовностью, а также удобством транспортировки и монтажа на месте внедрения с учетом крайне сложных природно-климатических условий районов распространения вечной мерзлоты.

В процессе исследования стало очевидно, что ДДТ должны быть составными и состоять из нескольких секций - отдельных  двухфазных  термосифонов. Следует отметить, что знание теплофизических  процессов в отдельном  двухфазном термосифоне недостаточно для разработки и конструирования составного термосифона. Это связано, в основном, с   решением двух задач. Во – первых, с тем, что необходимо обеспечить эффективную теплопередачу на участках контакта между смежными двухфазными термосифонами, т.е. в зонах перекрытия одним термосифоном другого. Во – вторых, в составном ДДТ, состоящем из нескольких секций,  в этих последних необходимо с большой точностью знать дозу заправки каждого термосифона теплоносителем-хладагентом.  Это обусловлено тем, что в зонах испарения на участках контактов длина «лужи»  должна быть минимальной в виду того, что она блокирует часть зоны конденсации смежной секции (двухфазного термосифона).

Для решения этих задач были проведены исследования  течения жидкой пленки теплоносителя в секциях вертикального и наклонного ДДТ. Полученные результаты  позволяют  определять дозу теплоносителя для каждой секции с учетом изменения граничных условий в течение рабочего сезона - активного периода работы двухфазных термосифонов в разрезе года.

Длины участков контакта соседних секций ДДТ  рекомендуется определять исходя из следующего  соотношения:   Длины участков контакта соседних секций ДДТ                                    

где:

К – коэффициент, учитывающий материал корпусов двухфазных термосифонов, причем 0,6 ≤ К ≤1,0 ;
N – количество последовательно соединенных двухфазных термосифонов;
n – номер двухфазного термосифона в интервале  2 ≤  n ≤ N – 1 ;
L n , n – 1  - длина участка передачи теплового потока от n-го двухфазного термосифона к  (n – 1)- му;
L n + 1, n  - то же от (n + 1)-го двухфазного термосифона к n-му.

В случае, если ДДТ состоит из отдельных двухфазных термосифонов, имеющих  цилиндрические (трубчатые) корпуса, необходимо в местах контактов применять промежуточные  вставки из высокотеплопроводного материала. Решена задача о допуске на размер радиуса поверхности сопряжения вставки для обеспечения  эффективной теплопередачи при минимальном   использовании теплопроводной  смазки, например, КПТ - 8.

Исследование показали, что более эффективным инновационным техническим решением является применение в составном двухфазном термосифоне в качестве отдельных секций уже апробированных многие годы и широко применяемых в строительной  практике термостабилизаторов типа ТМД-5(5М).

Эти термостабилизаторы обладают высокой хладопроизводительностью, практическим отсутствием  температурного градиента по длине и другими высокими теплофизическими  характеристиками;  изготавливаются из алюминиевых сплавов (например, АД-31 и АМГ) и имеют корпус «омега»-образного профиля, что очень важно для эффективного сопряжения поверхности контактов  двух смежных термосифонов. В процессе исследований  для корпусов секций таких двухфазных термосифонов с профилем «цилиндр – полка» (омегообразный профиль) была разработана и испытана конструкция соединительных узлов, обеспечивающих перепад температуры на контакте секций не более 0.2 град.  

В результате  комплексных исследований и испытаний была разработана и создана конструкция составного ДДТ марки ДОУ-1. ДОУ-1 состоит из нескольких испарительных и одной испарительно-конденсаторной секции. ДОУ-1 могут быть как прямолинейного типа (для вертикального  применения), так и слабонаклонного типа с «Г»-образной испарительно-конденсаторной секцией (для горизонтального применения). Это инновационное решение (конструкция ДОУ-1 ) запатентовано.

В настоящей работе представлены инновационные технические решения по термостабилизации ММП, разработанные для применения  при проектировании и возведении свайных фундаментов типа «полы по грунту» зданий, сооружаемых на засоленных грунтах Бованенковского НГКМ полуострова Ямал.

Полуостров Ямал характеризуется очень суровыми природно-климатическими условиями, обусловленными его высокоширотным расположением на крайнем севере  Западной Сибири. По геокриологическим условиям территория Бованенковского НГКМ относится к зоне сплошного распространения ММП. Среднегодовая температура грунтов составляет порядка -4,5 … -5,00С. Грунты являются преимущественно засоленными. Засоленные грунты характеризуются смещением температуры фазовых переходов в сторону отрицательных значений. Температура начала замерзания – оттаивания грунта смещается к диапазону -1,0 … -2,00С. Данный фактор существенно влияет на несущую способность свайных оснований в сторону ее уменьшения [5,6].

При проектировании «теплых стоянок» транспортной техники на Бованенковском НГКМ основной задачей было  обеспечение удобного подъезда к  зданиям. Необходимо было минимизировать воздействие нагрузок от транспорта, а также обеспечить въезд в здания транспортных средств без устройств пандусов. Одним из предлагаемых проектно-технических решений являлось возведение зданий со свайными фундаментами типа «полы по грунту». При непосредственном контакте сооружения с ММП грунты основания воспринимают существенную тепловую нагрузку от здания, что приводит к их растеплению, неравномерным осадкам и деформациям фундамента. К деформациям также может привести негативное воздействие нормальных сил пучения. Все эти причины определили необходимость при проектировании предусматривать применение технологий и технических средств инженерной защиты объектов, сооружаемых в криолитозоне, отображенных в инновационных проектно-технических решениях, учитывающих всю специфику взаимодействия в геотехнической системе «сооружение – ММП».

Для разработки данного проекта в первую очередь необходимо было оценить степень тепловой нагрузки здания на грунты основания и затем решать задачу оптимизации технических решений по инженерной защите и термостабилизации грунтов оснований сооружений [4].  Для этих целей была выполнена серия прогнозных теплотехнических расчетов с использованием программы HEAT (ТЕПЛО), разработанной на кафедре геокриологии МГУ им. М.В. Ломоносова. Исходная расчетная модель теплового влияния здания на грунты основания представлена на рис 1.
Исходная расчетная модель теплового влияния здания на грунты основания
Рисунок 1. Исходная расчетная модель теплового влияния здания на грунты основания: 1 – насыпной грунт, представленный песком h = 1 м; 2 – суглинок сильнольдистый среднезасоленный h = 2 м; 3 – глины сильнольдистые сильнозасоленные

По результатам проведенных расчетов были получены графики распределения температур в грунтах под серединой и краем здания, а также в естественных условиях на 5-й и 15-й год эксплуатации (рис. 2).
Графики распределения температур в грунтах под серединой и краем здания
Рисунок 2. Графики распределения температур в грунтах под серединой и краем здания, а также в естественных условиях на 5-й и 15-й год эксплуатации (на конец летнего периода)

Анализируя полученное распределение температурных полей в грунте можно сделать выводы о том, что на 5-й год эксплуатации здания чаша оттаивания мерзлых пород составляет 4 метра (под серединой и краем здания), на 15-й год – 8,5 м под серединой и 6 м под краем здания. В результате к 15 году эксплуатации на 55-80 % длины сваи оказываются в талом водонасыщенном грунте, что наихудшим образом сказывается на их несущей способности и может повлечь деформации фундамента.

В связи с этим была поставлена задача по термостабилизации грунтового основания с целью недопущения его оттаивания и обеспечения необходимой несущей способности свай. На сегодняшний день существуют различные типы и модификации охлаждающих устройств (ОУ), в том числе по конструктивным особенностям и материалу. Обычно задача термической стабилизации грунтов включает в себя: выбор типа и конструкции ОУ, шаг расстановки, монтаж ОУ и т.д., а значит, является оптимизационной задачей.

Эта задача решалась с помощью применения составных  ДДТ - длинномерных охлаждающих устройств типа ДОУ-1 производства АОЗТ «Интер Хит Пайп» в комплексе с теплоизолирующим материалом.

Проектом предусматривалось использование ДОУ-1 слабонаклонного типа с «Г»-образной испарительно-конденсаторной секцией. Особо следует отметить широкие возможности и удобства по применению ДОУ-1 строителями и монтажниками. В первую очередь, это  касается  возможности установки ДОУ-1 по-секционно в термокарманы, т.е. в заранее уложенные с определенным шагом трубы. Таким образом, монтаж и установку термостабилизаторов типа ДОУ-1 можно осуществлять уже после возведения здания, не привязываясь к, и без того коротким, периодам возможного выполнения строительно-монтажных работ. Корпус ДОУ-1 является секционным. Секции длиной до 10 м каждая собираются и монтируются  на месте, а малый вес каждой секции (1 погонный метр ДОУ-1 весит 1,1 … 1,2 кг.)  исключает необходимость в использовании специальной техники, что минимизирует время,  трудоемкость и стоимость  монтажа ДОУ-1.

Выбранная конструктивная схема термостабилизации грунтов основания здания со свайным фундаментом типа «полы по грунту» (рис. 3)  была заложена в качестве расчетной модели для последующих теплотехнических расчетов.
Конструктивная схема термостабилизации грунтов основания здания со свайным фундаментом типа «полы по грунту»

Рисунок 3. Конструктивная схема термостабилизации грунтов основания здания со свайным фундаментом типа «полы по грунту»

Дополнительно в расчетной схеме были учтены укладка теплоизолирующих плит с теплопроводностью 0,035 Вт/м*К под фундаментом здания и установка  ДОУ-1. Результаты математического моделирования представлены на соответствующих графиках (рис. 4).

   Графики распределения температур в грунтах под серединой и краем здания 
                


Рисунок 4. Графики распределения температур в грунтах под серединой и краем здания, а также в естественных условиях на 1-ый год эксплуатации здания с термостабилизаторами типа ДОУ-1 (на конец летнего периода)

Анализ  результатов моделирования показал, что уже в первый год работы ДОУ-1 к концу летнего периода температура грунта основания свайного фундамента составила  ниже -40С. Это обеспечивает необходимую несущую способность свай.  В последующие годы аккумуляция вырабатываемого термостабилизаторами холода будет возрастать, а температура грунтов основания – снижаться.

Разработанные специальные инновационные проектно-технические решения позволяют использовать фундаменты типа «полы по грунту» по первому принципу с сохранением мерзлого основания, а также обеспечивают несущую способность свай, не допуская развитие деформаций  сооружений. Предложенные проектные решения успешно прошли экспертизу и были реализованы при строительстве объектов обустройства Бованенковского НГКМ (рис. 5).

   Засыпка грунтом смонтированных и установленных ДОУ-1 слабонаклонной (горизонтальной) модификации при строительстве фундамента типа «полы по грунту» 


Рисунок 5.  Засыпка грунтом смонтированных и установленных ДОУ-1 слабонаклонной (горизонтальной) модификации при строительстве фундамента типа «полы по грунту» здания на Бованенковском НГКМ.


В заключении следует отметить, что конструктивная специфика составного ДДТ типа ДОУ-1 имеет целый ряд существенных преимуществ и расширяет возможности  применения технологий и средств термостабилизации в любых самых сложных природно – климатических условиях. К ним относятся: полная заводская готовность термостабилизаторов, что гарантирует высокое качество применяемого оборудования в отличие от нашедшего  иногда применение охлаждающего оборудования, изготовляемого и заправляемого на месте монтажа и  установки, т.е. в любое время суток (днем или ночью), при снегопаде, и сильных морозах, что не может не отразиться на качестве и надежности используемого охлаждающего оборудования. Следующее преимущество: многосекционность ДОУ-1,  как вертикальных так и горизонтальных. Каждая секция может составлять от 0,5 до 10,0 м. Соответственно, вес этих секций с учетом материала корпуса (алюминиевых сплавов) не превышает 11-12 кг. Т.е., многосекционность расширяет возможности применения средств термостабилизации грунтов оснований объектов практически любой площади до 80 м. шириной (на сегодняшний день). При этом нет проблем с монтажом ДОУ любой длины, ибо секции собираются быстро и последовательно; и второе – расширяются возможности и  снимаются  проблемы при транспортировке и монтаже охлаждающей   системы   в виду малого веса и габаритов отдельных секций ДОУ-1.


Литература

  1. Баясан Р.М., Коротченко А.Г., Пустовойт Г.П. Вероятность, детерминизм и новая техника в проблеме устойчивости вечномерзлых оснований. // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2002. N 5. С.26–31.
  2. Bayasan R.M., Korotchenko A.G., Lobanov A.D., Pustovoit G.P. Technique for thermal stabilization of soils at bases of structures in permafrost regions // Journal of Glaciology and Geocryology. Vol. 26. Supplement. Aug. 2004. P.201–206.
  3. Bayasan R.M., Korotchenko A.G., Pustovoit G.P., Volkov N.G. Use of two-phase heat pipes with the enlarged heat-exchange surface for thermal stabilization of permafrost soils at the bases of structures. // Applied Thermal Engineering (ISSN 1359-4311). 2008. Vol.28. N 4. P.274–277.
  4. Bayasan R.M., Golubin S.I., Pustovoit G.P., Proshina T.V., Korotchenko A.G. «Optimization of engineering solutions for thermal stabilization of saline permafrost soils at bases of structures by means of two-phase heat pipes». // VII Minsk International Seminar «Heat pipes, Heat Pumps, Refrigerators, Power Sources». Minsk, Belarus. 2008. P.367–370.
  5. Роман Л.Т. Механика мерзлых грунтов.-М.:МАИК «Наука/Интерпериодика». 2002. 426 с.
  6. Брушков А.В. Засоленные мерзлые породы Арктического побережья, их происхождение и свойства.-М.: МГУ. 1998. 332 с.