Замораживание и термостабилизация грунтов в криолитозоне

К.А. Желудкова

Д.А. Клещин

В работе рассмотрено влияние внешних и внутренних устройств разрабатываемых модификаций новых термостабилизаторов на процессы теплопереноса в двухфазных системах с целью увеличения их эффективности. На основе полученных результатов исследовано влияние стратификации температуры в объеме и геометрии на характеристики теплопередачи. Установлено влияние применяемого хладагента (аммиака и углекислоты) и материала стенок внутреннего устройства на величину градиента и распределение температуры по длине термостабилизатора. Разработанная технология термостабилизации грунтов позволяет существенно увеличить интенсивность теплообменных процессов и значительно снизить температуры при глубинном замораживании грунтов до 100 м и более (минус 5,3 °C на глубине 50 м при температуре воздуха минус 17 °C для хладагента аммиака).

Проблема поддержания отрицательной температуры мерзлых пород для обеспечения надежности геотехнических систем в криолитозоне (шельфе), является актуальной для отраслей промышленности и жилищнокоммунального хозяйства. Одним из направлений решения проблемы являются использование работы гравитационных сил и криогенного ресурса на основе гладкостенных термостабилизаторов, разработки современных инженерных решений и технологии строительства на вечномерзлых грунтах.

Для современного строительства в северных условиях необходима унификация методов строительства и упрощение эксплуатации сооружений. Причем, при массовом строительстве предусматривают сохранение мерзлотногеологических условий и изменение этих условий. Такая задача разрешима, поскольку основные инженерные свойства грунтов определяются их температурой. НПО Фундаментстройаркос (ФСА) унифици- рует конструктивно-технологические решения северного строительства в значительной мере за счет усовершенствования способов и средств, обеспечивающих поддержание заданного температурного режима грунтов в основании сооружений, применяя термостабилизаторы (ТС) грунтов термосифонного типа нового поколения, в которых циркуляция аммиака и углекислоты осуществляется под действием силы тяжести и тепловой энергии грунта. При этом используется естественный холод низкие отрицательные температуры атмосферного воздуха в зимнее время с учетом скорости ветра, обдувающего оребрение конденсатора. Использование и применение разработанных средств и способов способствует сохранению и снижению естественной температуры вечномерзлых грунтов.

Каждый термосифон представляет собою циркуляционный контур, в котором движение хладагента обусловлено теплообменом в поле земного тяготения. Циркуляционный контур термосифона состоит из трех частей — испарителя, транзитного участка и конденсатора, в которых происходит теплообмен с внешней средой. Термостабилизаторы подразделяют на несколько типов. К первому, наиболее простому, относится термосифон испарительного типа, представляющий собой вертикальную трубу, в которой содержится насыщенный пар хладагента и жидкость (аммиак, углекислота). Верхний конец трубы со спиралевидно навитым под напряжением ленты оребрением из алюминия холоднее, поскольку охлаждается и обдувается зимой морозным воздухом. Нижний конец (испаритель) размещен в грунте с более высокой по сравнению с воздухом температурой. В результате возникает циркуляция хладагента: в верхней части трубы насыщенный пар конденсируется на внутренних стенках, пленка конденсата под действием силы тяжести стекает в нижнюю часть термосифона (испаритель), а пар за счет падения давления в зоне конденсации перемещается вверх по контуру циркуляции.

ТС удовлетворяют требованиям перспективности (по геометрическим, энергетическим, экономическим показателям, герметичности, жесткости, материалоемкости, транспортабельности и защищенности от вредных механических, химических и других воздействий) и энергосбережения. Применение ТС разных модификаций в качестве базовых элементов позволяет передавать потоки на значительные расстояния при малых температурных напорах (низких термических сопротивлениях). Широта температурного диапазона теплоно- сителей, практическая неограничен- ность разнообразных конструктивных форм и размеров определяют гиб- кость проектирования и технологии. Перспективные показатели в определенной степени «компенсируются» сложностью расчета, проектирования, технологии подготовки, изготовления, испытаний непосредственно �