Авторы: Реховская Елена Олеговна, Макарова Анна Сергеевна

Рубрика: Экология

Опубликовано в Молодой учёный №19 (123) октябрь-1 2016 г.

Дата публикации: 04.10.2016

Статья просмотрена: 50 раз

Библиографическое описание:

Реховская Е. О., Макарова А. С. Применение термостабилизаторов грунта на магистральных трубопроводах // Молодой ученый. — 2016. — №19. — С. 207-210.



Главным направлением в практике северного строительства является сохранение состояния мерзлых грунтов на территории деятельности человека. На севере России сосредоточены большие объемы природных ресурсов (уголь, торф, нефть, газ). При этом из-за климатических условий создаются трудности при проведении разведки и последующей транспортировке исследуемых запасов. В летний период при оттаивании грунтов на магистральных трубопроводах уменьшается прочность их характеристик. Как следствие могут произойти разрывы трубопроводов, разливы нефтепродуктов, что вызовет экологическую катастрофу.

Невозможно спрогнозировать частоту, интенсивность и вероятность экологического бедствия при аварийном разливе нефти. Все это различается и зависит от различных техногенных и природных факторов. Сейчас важно обеспечить безопасность магистральных трубопроводов. Наиболее эффективным в этом плане способом поддержания и при необходимости усиления мерзлоты грунта является применение термостабилизаторов. Данные охлаждающие устройства необходимы для повышения несущей способности грунта путем его охлаждения и замораживания [1].

Важной проблемой территории Крайнего Севера являются деформации (просадки, термокарстовые образования), возникающие в результате протаивания грунтов. Анализ фундамента при проведении строительных работ в условиях вечной мерзлоты показывает, что применение бетонируемых конструкций необходимо только при строительстве больших объектов (мостов и т. п.), в других случаях надо использовать сборные конструкции.

Рис. 1. Термостабилизация мостов на мерзлых грунтах

Сейчас при строительстве и ремонте автомобильных дорог в зоне вечной мерзлоты применяют технологию температурной стабилизации мерзлых грунтов с методами защиты грунтов от деградации (рис. 1).

Термостабилизаторы необходимы для замораживания талых и охлаждения многолетнемерзлых грунтов в болотистой местности или на пучинистых грунтах. Они представляют собой холодильные устройства, которые работают за счет низких температур воздуха в зимний период, аккумулируя холод в грунте на летний период. За счет постоянной циркуляции хладагента термостабилизаторы низкозатратны. Часто охлаждающие устройства применяют в качестве средства при морозном пучении. Для обеспечения устойчивости наземных трубопроводов применяют методы свайного строительства [2, 3].

В современных термостабилизаторах применяют такие хладагенты как сжиженный аммиак или диоксид углерода. Использование керосина или фреона запрещены из-за пожароопасных свойств первого хладагента и озоноразрушающих второго.

Таким образом, термостабилизаторы — это трубчатая холодильная машина бесскомпрессорного типа использующая конвекционные свойства хладагента при разнице в температуре между грунтом и воздухом снаружи. При низких температурах хладагент конденсируется в радиаторе-конденсаторе, который расположен в верхней части устройства. Затем хладагент стекает в испарительную часть, находящуюся внизу, забирая тепло грунта и охлаждая его до температуры ниже температуры замерзания. При этом хладагент испаряется и попадает в верхнюю часть термостабилизатора. Схема стандартного охладительного устройства приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Схема термостабилизатора грунта: 1 — воздушный конденсатор; 2 — испаритель; 3 — грунт; 4 — хладагент; 5 — тепловой поток от охлаждаемого грунта

Данный механизм согласуется с теплообменом в системе «труба в трубе» (рис. 3).

Рис. 3. Тепловой поток в системе «грунт — термостабилизатор — атмосфера»: 1 — корпус испарителя; 2 — гильза; 3 — тепловой поток Q; 4 — теплоноситель; 5 — грунт; 6 — хладагент; Н — расчётный параметр, м

Донная часть внутренней трубы (стандартный термостабилизатор) заполнен хладагентом, кольцевой воздушный промежуток между корпусом и полугерметичной гильзой заливается теплоносителем. Затем отбор тепла новым термостабилизатором грунта от замораживаемого грунта происходит через стенку гильзы. Теоретически теплопередачу в системе «мерзлый грунт — термостабилизатор» можно описать формулами.

Для расчёта количества теплоты Q, передаваемого через теплообменную поверхность S, справедлива формула:

Q = ∫s kΔTdS,

где k — коэффициент теплопередачи между начальным источником тепла (грунт) и конечным поглотителем тепла (хладагент) через разделяющую их преград), Вт/(м2·К);

ΔT — разность температур грунта и хладагента, К.

Коэффициент теплопередачи k для цилиндрических стенок рассчитывается по формуле:

где λст — теплопроводность стенки, Вт/(м·К);

d1, d2 — внутренний и наружный диаметры трубы, м;

α1,2 — коэффициенты теплоотдачи, Вт/(м2·К);

l — длина трубы, м.

Применение термостабилизаторов позволило существенно увеличить площадь замораживаемого грунта вокруг изделия, уменьшить количество термостабилизаторов на единицу площади и обеспечить экономию материальных, трудовых ресурсов и сокрaтить время строительных работ.

Литература:

  1. Bayasan, R. M. The experience of thermalstabilization technology application for engineering protection of bases of structuresin permafrostregions / R. M. Bayasan, T. V. Bayasan, A. D. Lobanov, G. P. Pustovoit // Материалы международной научной конференции МАИГ «Инженерная защита территории и безопасность населения: роль и задачи геоэкологии, инженерной геологии и изысканий», 6–8 сентября 2011 г. — М. — C. 58.
  2. Долгих, Г. М. Практический опыт строительства оснований зданий и сооружений в условиях ВМГ / Г. М. Долгих, С. Н. Окунев, Ю. Э. Кинцлер. Тюмень, ООО НПО «Фундаментстройаркос». — 2002.
  3. Яковлев, Р. Н. Универсальный фундамент. Технология ТЭсе./ Р. Н. Яковлев. — Изд-во «Аделант». — 2006. — 271 с.
Основные термины (генерируются автоматически): мерзлых грунтов, Применение термостабилизаторов грунта, усиления мерзлоты грунта, разность температур грунта, несущей способности грунта, магистральных трубопроводах, Схема термостабилизатора грунта, состояния мерзлых грунтов, вечной мерзлоты, новым термостабилизатором грунта, стабилизации мерзлых грунтов, охлаждаемого грунта, низких температурах хладагент, охлаждения многолетнемерзлых грунтов, результате протаивания грунтов, летний период, методами защиты грунтов, тепловой поток, оттаивании грунтов, циркуляции хладагента термостабилизаторы.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос