Исследование процессов охлаждения грунтов в условиях вечной мерзлоты

Аннотация: Статья посвящена вопросам применения термостаблизации грунтов в условиях вечной мерзлоты, в том числе необходимым и возможным направлениям развития данных устройств, для повышения их эффективности.
Ключевые слова: термостабилизация; энергоэффективность; вечная мерзлота; хладоносители; безопасность.
Abstract: The article is devoted to the use of thermostabilization of soils in permafrost, including the necessary and possible directions for the development of these devices, to increase their effectiveness.
Key words: thermal stabilization; energy efficiency; eternal Frost; coolants; safety.
В Российской Федерации область вечной мерзлоты занимает больше половины территории. И на этой территории находится большая часть нашего стратегического производства, данная территория это и залежь огромного количества различных полезных ископаемых, к тому же, вечная мерзлота это и своеобразный запас воды. Но, несмотря на это, территория вечной мерзлоты ещё не до конца освоена.
Это связано с тем, что данная территория огромная, и для её освоения необходимы достаточно серьёзные финансовые вложения на обустройство различных месторождений, на создание и развитие инфраструктуры и т.п.
Именно поэтому вопросы, связанные с применением различных энергоэффективных методов при строительстве в условиях вечной мерзлоты. Потому что новые технологии могут помочь сэкономить при строительстве, сделать его более эффективным. Появляется не только экономическая значимость таких проектов, но и социальная, так например, снижая стоимость строительства, может быть снижена и стоимость недвижимости.
Как известно, в поверхностном слое грунтов, в естественных условиях, можно наблюдать колебания температуры. Причины колебания температуры бывают различными, но более важны сезонные колебания, то есть которые связаны со временами года. В зимний период грунт замораживается, а в теплый – частично оттаивает.
Помимо этого в последнее время можно наблюдать повышение температуры вечномерзлых грунтов. Данное явление является серьёзной проблемой, потому что ежегодно увеличивается все большее количество различных объектов, которые эксплуатируются на основаниях, сложенных вечномерзлыми грунтами [1-2].
Это приводит к тому, что верхний горизонт грунтов приобретает неустойчивое состояние, появляются такие опасные явления как: вспучивание грунтов в зимний период, а в летний происходит его влагонасыщение, появляется повышенная текучесть, грунт начинает расползаться. Это опасно, потому что, такие явления вызывают деформацию различных опорных конструкций.
Чтобы обеспечить устойчивость различных сооружений в условиях вечной мерзлоты зачастую используют методы свайного строительства. В условиях вечной мерзлоты это наиболее эффективный и практичный способ.
При традиционном применении свайного метода используют железобетонные сваи, в частности бурозабивные, опускные, буроопускные, а для их установки пробуривают соответствующие скважины, применяя при этом такие способы бурения как тепловые, механические, или комбинированные.
В пластично-мерзлых грунтах в основном используют бурозабивные сваи. Для этого предварительно пробуривают скважины с несколько большим диаметром, чем диаметр свай. В эти скважины механическим способом забиваются сваи.
Для пластично-мерзлых и твердомерзлых грунтов используют буроопускные сваи. Для этого в предварительно пробуренные скважины с грунтовым раствором погружают буроопускные сваи меньшего диаметра, чем диаметр скважины.
В твердомерзлых грунтах применяют опускные сваи, так как при бурении с помощью паровой «иглы» нарушается достаточно большой объём вечной мерзлоты и замедляется дальнейшее смерзание опускных свай с вечномерзлым монолитом.
Термостабилизация вечномерзлых грунтов
Термостабилизация это сохранение грунтов для свайного основания в мерзлом состоянии, рисунок 1. Для этого используют специальные погружные устройства, которые в свою очередь бывают парожидкостными или жидкостными. Такие устройства носят название термостабилизаторов.
Термостабилизаторы по времени работы бывают сезонно-действующими и круглогодичными. В теплое время года сезонно-действующие термостабилизаторы не работают [1-3].
Термостабилизаторы помещаются в специальные скважины, которые пробуриваются в непосредственной близости от опорного фундамента. Это необходимо для того чтобы создать так называемый мерзлотный экран.
В зависимости от поставленных перед термостабилизаторами задачами, они бывают как вертикальными, горизонтальными, наклонными.
Термостабилизаторы это холодильные машины, бескомпрессорные, они делятся на два типа: испарительные (двухфазные) и конвективные (газожидкостные, жидкостные и газовые).

Рис. 1 пример использования термостабилизаторов
В термостаблизаторах циркулируют хладоносители, за счет естественной конвекции, в результате чего грунты основания охлаждаются.
Естественная конвекция возникает по причине наличия разности температур и соответственно разности плотностей хладоносителя, рисунок 1.
Хладоноситель закипев нижней части устройства (испарительная часть устройства), поднимается в верхнюю часть (конденсирующая часть устройства), где и отдает отобранное у грунтов основания тепло. Как только температура в верхней части устройства станет выше температуры хладоносителя, тогда и прекращается его циркуляция.
Если добавить дополнительные теплоотводящие элементы в термостабилизатор, то это даст возможность эксплуатировать термостабилизаторы и в теплый период года, благодаря циркуляции в дополнительных элементах промежуточного хладоносителя, который бы охлаждался специальной холодильной машиной. Таким образом, термостабилизаторы можно будет эксплуатировать круглый год.
В качестве хладоносителей используются различные вещества, так самый простейший вариант это использование керосина или фреонов.
Однако использовать фреоны или керосин крайне нежелательно, данные вещества пожароопасны и могут нанести окружающей среде существенный урон. Поэтому зачастую используют более безопасные и эффективные вещества, такие как диоксид углерода или сжиженный аммиак.
На рисунке 2 изображен принцип работы термостабилизатора.
Рис. 2 принцип работы термостабилизатора
Вне зависимости от принципа работы общим для всех термостабилизаторов будет то, что при их работе вокруг них формируется зона мерзлого грунта, которая с течением времени увеличивается. Скорость расширения зоны мерзлого грунта зависит от того количества тепла, которое может забрать хладоноситель.
Одним из вариантов по совершенствованию конструкции является разработка устройств с винтовой поверхностью контакта, рисунок 3.
Винтовая поверхность контакта с грунтами позволяет:
1. Выполнять монтажные работы в любое время года.
2. Использовать термостабилизаторы на болотистой местности.
3. Увеличивать шаг расстановки устройств. Это связано с тем, что винтовая поверхность увеличивает радиус охлаждения грунтов.
4. При вертикальном положении повысить устойчивость устройства.
5. Повышать теплообмен за счет повышения поверхности теплообмена.
На рисунке 3: 1 – труба, 2 – испаритель, 3 – винтовой наконечник, имеющий винтовое оребрение пространство которого заполнено хладоносителем, 4 – конденсатор, 7 – промежуточная труба, 8, 10 – воронка, 9 – промежуточная труба.
Рис. 3 термостабилизатор с винтовой поверхностью
Термостабилизатор это, по своей сути, теплообменник, а оребрение это хороший способ повысить эффективность теплообменника. Вместе с тем, оребрение приведёт и к повышению стоимости такого устройства.
Также способом повышения эффективности может быть использование буферных теплообменных агентов. Особенность конструкции такого устройства состоит в том, что обычный термостабилизатор помещён в полугерметичной гильзе, в которой находится низковязкий пропиленгликолевый хладоноситель типа ХНТ-НВ в необходимом количестве [4].
Данный хладоноситель выступает в роли буферного, то есть промежуточного теплоносителя. Он даёт возможность увеличить коэффициент теплопередачи, в том числе по всей площади теплообмена выравнивает теплоотдачу, как от грунта через гильзу, так и со стороны испарителя.
В данном случае происходит и улучшение конструкции, так и применение более энергоэффективных хладоносителей.
Как и для любых других объектов холодообеспечения, к термостабилизаторам предъявляются жесткие требования связанные с допустимой токсичностью, экологической безопасности, пожаро- и взрывобезопасностью.
Пропиленгликолевые хладоносители в этом случае достаточно конкурентоспособны. К тому же, пропиленгликолевые хладоносители могут достаточно длительное время контактировать с большим количеством различных конструкционных материалов, то есть, они имеют низкую коррозионную активность.
Так, применение вместо нержавеющей стали, различные марки углеродистой стали, существенно снизит стоимость устройства. А если в пропиленгликолевые хладоносители добавить специальные присадки, то появляются возможность применять различные сплавы на основе меди, алюминия.
Помимо этого, пропиленгликолевые хладоносители проявляют повышенную устойчивость к различным микроорганизмам, при использовании характеризуются низкой скоростью накипеобразования.
Но массовому распространению таких пропиленгликолевых хладоносителей мешает их значительная вязкость при низких температурах. Вязкость может достигнуть таких значений, при которых энергетические затраты на то чтобы переместить хладоноситель в контуре с заданной скоростью будут такими существенными, что все указанные выше преимущества сведутся в ноль. Для решения указанной проблемы, производители хладоносителей добавляют в составы специальные поверхностноактивные вещества (ПАВы), что в свою очередь приводит к повышению стоимости.
Таким образом, можно наметить два направления работ по совершенствованию термостабилизаторов.
1. Подбор более эффективных хладоносителей.
2. Совершенствование конструкции с теплотехнической точки зрения.
Список литературы:
Максименко Василий Александрович, Евдокимов Владимир Сергеевич, Гладенко Алексей Анатольевич, Новиков Алексей Алексеевич, Галдин Владимир Дмитриевич Система заморозки грунта на основе парокомпрессионного и естественноциркуляционного циклов // ОНВ. 2012. №2 (110).
Моторкин А.С., Евдокимов В.С. Термостабилизатор с винтовым оребрением для зональной заморозки грунта // ОмГТУ. 2014. №2.
Евдокимов В. С., Максименко В. А., Васильев В. К., Третьяков А. В. Исследование работы сезоннодействующего термостабилизатора грунта // Проблемы региональной энергетики. 2014. №3 (26).
Генель Л.С., Галкин М.Л. Выбор промежуточных хладоносителей. Ч.1. // Холодильный бизнес. 2004. № 12. С. 31-35.