Исследование работы сезоннодействующего термостабилизатора грунта

Целью исследования является сохранение пригодного для строительства состояния грунтов в условиях криолитозон. Для поддержания вечной мерзлоты используют термостабилизаторы грунта. Данная работа посвящается исследованиям динамики температурного режима грунта вокруг термостабилизатора в зимнем и летнем режиме эксплуатации для климатической зоны юга Западной Сибири. Экспериментально получены температурные поля грунта вокруг термостабилизатора. Расчетные результаты подтверждены экспериментальными исследованиями. Спроектирована перспективная конструкция комбинированного устройства для заморозки грунта.

Ключевые слова: термостабилизация грунта; температурные поля; сезоннодействующее охлаждающее устройство (СОУ); мерзлый грунт

1. Введение

Опасность деградации мерзлых пород заключается в уменьшении несущей способности грунтов, при повышении температуры и потере их устойчивости при оттаивании. Все это требует разработки и применения новых технических решений, способных компенсировать отрицательное воздействие потепления климата, для существующих, строящихся и проектируемых сооружений.

В настоящее время наиболее эффективным техническим решением, способным компенсировать техногенные воздействия на несущую способность вечномерзлых грунтов, является применения термостабилизаторов (ТС) грунта.

Современное состояние применения ТС в северном строительстве можно характеризовать следующими особенностями:

1. Для замораживания грунтов идет поиск перспективных конструкций парожидкостных и жидкостных коаксиальных ТС, причем предпочтение отдается первым ввиду большей эффективности конструкции и меньшей металлоемкости.
2. Сохранению в грунте отрицательных температур способствует изоляция ледогрунтового массива от летних теплопритоков, а также защита наружных теплообменников (ТО) от солнечной радиации с помощью экранов.
3. Использование ТС в комбинации с емкостями для аккумуляции зимнего холода (так называемые зероторы) способствует продлению активного периода ТС.
4. Недостаточно данных по опыту эксплуатации и расчету новых технических решений ТС, разработанных для специальных условий (изменения режима эксплуатации объекта, глобальное изменение климата и др.).

Общим для всех сезоннодействующих охлаждающих устройств (СОУ) является то, что при работе охлаждающего устройства вокруг его заглубленной части образуется столб мерзлого грунта, диаметр которого со временем увеличивается. Скорость его роста зависит от величины потока тепла, отводимого теплообменником в атмосферу и потока, поступающего от охлаждаемого (замораживаемого) грунта к СОУ. В периоды выключения СОУ происходят повышение температуры мерзлого массива и даже его частичное оттаивание. [1,2] При исследовании теплового режима СОУ обычно решают следующие задачи:

‒ задача определения нестационарного температурного поля в окружающем грунте при заданной интенсивности отвода теплоты (прямая задача);

‒ управление температурным режимом грунта, обеспечивающим стабилизацию температур грунта в заданном объеме (обратная задача).

2. Объект исследования

В данной работе была поставленная задача провести экспериментальные исследования СОУ с возможностью зональной заморозки грунта и использованием компрессорно-конденсаторного агрегата [3], конструкция которого была разработана на кафедре «Холодильная компрессорная техника и технология» ОмГТУ и представлена на рис.4. Зональная заморозка грунта позволяет использовать данный тип СОУ для температурной стабилизации грунта на участках, включающих в себя зоны инфильтрации, где серийные конструкции неэффективны. Введение зоны транспортирования хладагента [3] позволяет сохранить несущую способность грунта для вышеуказанных условий при той же металлоемкости СОУ. Для сравнения результатов эксперимента, в качестве серийно применяемого образца был использован индивидуальный термостабилизатор грунта ТК 32/6М5 А-01.

3. Методы исследования

Экспериментальный стенд для исследования характеристик работы двух ТС (серийного образца и с возможностью зональной заморозки) представлен на рис. 1.

Рис. 1. Схема экспериментального стенда

Изменения температуры в грунтовом массиве и термосвае регистрировались путём непосредственных измерений через систему датчиков, расположенных снаружи на корпусе термосваи и на измерительных штангах.

Анализ динамики теплопритоков осуществлялся косвенным методом на основании измерений температур в контрольных точках тепловых потоков.

Радиус заморозки грунта вокруг индивидуального термостабилизатора определяется с целью обоснования рабочего режима компрессорного холодильного агрегата. Кроме того, по результатам этого расчета делается подбор количества ТС.

В качестве исходных данных для решения прямой задачи с помощью математической модели принимаются климатические характеристики района строительства (температура воздуха, скорость ветра, солнечная радиация), начальная температура грунта, его теплофизические параметры, конструктивные характеристики СОУ. Сложность состоит в том, что здесь, по существу, протекают два взаимосвязанных процесса: промерзание (оттаивание) грунта при взаимодействии с охлаждающим устройством и атмосферой (внешняя задача) и теплоперенос в СОУ (внутренняя). Таким образом, необходимо рассматривать задачу как совместную для системы грунт — СОУ — атмосфера. [4]

Результаты экспериментальных и численных испытаний приведены на рис.2.

Рис.2. Зависимости изотермических слоев грунта по длине ТС

На рис. 3 представлены зависимости радиуса заморозки грунта на глубине 4 метра от времени активного периода работы СОУ. Приведенные зависимости показывают, что время выхода на заданный радиус заморозки (в данном случае Rz=100см) в ТС с зональной заморозкой сокращается на 25–28 % (ΔT=T2-T1). Это говорит о более эффективной работе ТС в районе несущей опоры строительных конструкций.

Рис. 3. Экспериментальные зависимости радиуса заморозки грунта от времени работы СОУ

Полученные результаты экспериментальных и численных исследований позволяют сделать следующие выводы:

1) Проведены испытания образца СОУ с возможностью зональной заморозки в грунто-климатической зоне Юга Западной Сибири.

2) Изменения изотерм грунта, полученные в расчетной среде ANSYS, хорошо согласуются с характером их изменения при испытании натурных образцов. Это говорит об адекватности результатов численного моделирования и возможности проведения численного эксперимента в среде ANSYS.

3) Экспериментальные данные и результаты численного эксперимента показывают, что конструкция СОУ с возможностью зональной заморозки грунта позволяет достичь заданного радиуса заморозки в районе несущей опоры строительных конструкций за меньший период времени, чем при использовании серийной модели. При наличии слоя инфильтрации грунта при высоких значениях коэффициента теплоотдачи серийные конструкции СОУ малоэффективны, в то время как конструкция СОУ с зональной заморозкой при той же металлоемкости позволяет достигать и сохранять заданный температурный режим грунта.

Рис. 4. Общий вид компрессорно-конденсаторного агрегата

5. Заключение

Спроектировано и исследовано устройство заморозки грунта, которое имеет ряд преимуществ, таких как: адаптация устройства для зональной заморозки участков грунта; обеспечение заморозки грунта на протяжении всего срока эксплуатации; повышение скорости заморозки грунта; снижение металлоемкости. Проведены испытания опытного образца.

Литература:

1. Карнаухов, Н. Н. Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера / Н. Н. Карнаухов: — М: Изд. ЦентрЛитНефтеГаз, 2008. — 432 с.
2. Yang Zhou, Guoqing Zhou. Approximate solution for the temperature field of 1-D soil freezing process in a semi-infinite region. Heat and Mass TransferVolume 49, Issue 1, pp 75–84 (2013). DOI: 10.1007/s00231–012–1064–0
3. Пат. 108051 U1 RU. Устройство для аккумуляции холода / В. А. Максименко; В. С. Евдокимов; А. М. Костин; А. С. Губанов // — 2011.
4. Улитин В. В. Метод элементарных объемов при решении нелинейных задач теплопроводности и геокриологии: монография.- Спб.: Изд-во «Парком», 2013. — 170 с