Компрессорная контейнерная установка для сезонно действующих охлаждающих устройств



Основная задача в сфере обеспечения безопасности при сооружении и эксплуатации зданий и сооружений в среде вечной мерзлоты — своевременное предотвращение развития представляющих опасность процессов с целью возникновений аварий. Свайное выполнение опор зданий и сооружений приводит к разморозке грунта вокруг опор, увеличению глубины сезонно-талого слоя (СТС). Вслед за этим вызывает последующую последовательность событий, как пучение, в итоге происходит вытеснение сваи из земли, а при проявлении глубоких проталин понижается (более чем в два раза) несущая способность грунтов. Следовательно, при эксплуатации зданий и сооружений возникают зоны, внутри которых коренным образом изменяются условия теплообмена через поверхность грунта, стимулируются процессы криогенного пучения опор сооружений.

В настоящий момент более выгодным решением, способным решить данную задачу как воздействие факторов на устойчивость вечномерзлых грунтов, является применение систем термостабилизации грунта.

На кафедре «Холодильная и компрессорная техника и технология» в процессе исследований, были получены следующие результаты. Анализ показывает, что теплопередающие свойства термостабилизаторов в значительной степени зависят от условий теплообмена как в грунте, так и в окружающей среде, в процессе развития ледогрунтовой массы, и неразделимо связаны между собой.

Сложность применения систем термостабилизации, основанных на естественной циркуляции холодильного агента основывается на том, что работа таких устройств обуславливается от температурных условий окружающей среды. К примеру, возьмем результаты расчета радиуса зоны заморозки для участка трубопровода Ванкор — Пурпе:

Таблица 1

Зависимость радиуса промерзания от температуры ивремени

Диаметр испарителя, мм	38
Температура грунта	7°C
Температура окружающего воздуха	-15°C	-20°C	-25°C	-30°C	-35°C
Время заморозки, дни	Радиус замороженной зоны, м
0	0	0	0	0	0
10	0,8125	0,99375	1,0625	1,15	1,25
20	0,95625	1,175	1,3625	1,4375	1,54375
30	1,0625	1,325	1,54375	1,6125	1,7625
40	1,175	1,475	1,6875	1,7625	2,025
50	1,2875	1,58125	1,8	1,95	2,16875
60	1,4	1,65	1,95	2,1	2,3125
70	1,475	1,7625	2,1	2,275	2,425
80	1,5125	1,875	2,20625	2,35	2,575
90	1,58125	1,9875	2,3125	2,5	2,6875
100	1,6125	2,0625	2,4	2,575	2,7575
110	1,65	2,1375	2,4625	2,6875	2,9
120	1,6875	2,16875	2,5	2,7575	2,975
130	1,725	2,20625	2,5375	2,77875	3,0125
140	1,7625	2,25	2,575	2,83125	3,0875
150	1,8	2,275	2,6125	2,86875	3,125

Рис. 1. Сравнение расчетных и опытных данных

Вследствие вышеизложенного мы видим, что за зимние месяцы вероятна заморозка лишь на 1,8 метра. Этого мало для образования единого массива.

Для решения данной проблемы, рекомендуется подключение компрессорной холодильной установки, которая при применении в данной местности должна иметь следующие параметры:

1. Низкая масса, вследствие проблематики доставки в отдаленные районы и необходимости использования болотной техники.
2. Автономность работы
3. Расположение в крытом контейнере

Холодильная установка для поддержания рабочего режима должна включать: компрессор, кожухотрубный испаритель, конденсатор воздушного охлаждения, бак для рассола, насос для циркуляции хладоносителя в конденсаторах термостабилизатора и насос для осуществления циркуляции через испаритель.

Данную установку нужно включить в тот момент, когда температура грунта на глубине 2,35 м достигает значения близкого к -2С, то есть грунт переходит из твёрдомерзлого в пластичномерзлое состояние.

По данным расчетов, получивших ранее, выбираем время включения установки через 12 дней после окончания «активного» периода работы термостабилизатора. Для этого в граничное условие теплового воздействия термостабилизатора на грунт введем две точки:

‒ равную концу «активного» периода +12 дней; календарно, дата включения холодильной машины равно 12 апреля (16 588 800 сек) в которой прикладываем температуру -15Сс интенсивностью 30 Вт/м²*К — начало работы холодильной машины;

‒ равную времени начала холодильной установки +n дней (где n — число дней работы холодильной машины в секундах) в которой прикладываем температуру -15Сс интенсивностью 30 Вт/м²*К — конец работы холодильной машины.

В остальное время, после отключения холодильной машины, температура в местах контакта термостабилизатора с грунтом повышается на 0,5С за 1 месяц.

Осуществим ряд расчетов применения холодильной машины на период от 25 с шагом в 5 дней, до тех пор, пока не выполнятся вышеуказанные условия. Видно из результатов расчета, сохранение разрешенной допустимой глубины оттаивания грунта за счет теплопритоков от здания станции и теплообмена с окружающей средой, допустимо только при включении установки в круглосуточном режиме на 85 дней. Нынешний результат является технически приемлемым, но экономически не оправдан.

Допустим для того, чтобы уменьшить количество дней использования холодильной установки, можно включать её в несколько этапов. Выполним расчет включения холодильной установки в 2 этапа:

‒ 1 этап — 25 дней (как и в случае непрерывного включения);

‒ 2 этап — n-дней включения холодильной машины, которое определяется программно.

Принцип выбора начала второго этапа, а также прочие условия такие же, как и при случае непрерывного включения холодильной установки.

Результаты программного расчета представлены в виде графика (Рис.3).

Рис. 2. Глубина оттаивания грунта (начало сентября) с использованием СОУ холодильной установки

Рис. 3. Глубина оттаивания грунта (начало сентября) с использованием СОУ холодильной установки при поэтапном включении

Как видно из результатов расчета, для поддержания необходимых условий, при поэтапном включении, требуется всего 50–55 дней работы холодильной установки.

Рис. 4. Внешний вид холодильного агрегата

Для поддержания заданного температурного режима в летнее время, спроектирована холодильная машина, охлаждающая конденсаторную часть каждого термостабилизатора. Были произведены необходимые расчёты, которые доказывают актуальность использования холодильной машины вкупе с горизонтальной естественно действующей системой термостабилизации грунта. Данный способ позволяет существенно повысить несущую способность оснований зданий и сооружений, располагающихся в условиях вечной мерзлоты, предотвратить аварии, связанные с развитием опасных процессов в грунте.

Литература:

1. N. B. Kutvitskaya, M. A. Minkin. Design of Beds and Foundations of Infrastructure for Oil-Gas Condensate Fields Under Complex Frozen-Soil Conditions. Soil Mechanics and Foundation Engineering Volume 51, Issue 1, pp. 36–41 (2014). DOI: 10.1007/s11204–014–9251–2
2. È. V. Ibragimov, R. G. Gamzaev, M. A. Andreev, I. A. Dorofeeva. Development of and experience with installation of soil thermostabilizers with use of directed inclined boring. Soil Mechanics and Foundation EngineeringVolume 50, Issue 2, pp 71–75 (2013). DOI: 10.1007/s11204–013–9213–0
3. Yang Zhou, Guoqing Zhou. Approximate solution for the temperature field of 1-D soil freezing process in a semi-infinite region.HeatandMassTransfer Volume 49, Issue1,pp 75–84 (2013). DOI: 10.1007/s00231–012–1064–0
4. Бучко М. А. Искусственное замораживание грунтов. — М., Информэнерго, 1978. — 68 с.
5. Ганиев С. Н. Использование естественного холода в северном строительстве». — М., 1951. — 260 с.
6. Пьянков С. А., Азизов З. К. Механика грунтов. — Ульяновск, 2008. — 103 с.
7. Гапеев С. И. Укрепление мерзлых основанием замораживанием. — Л.: Стройиздат. Ленингр. отд-ние, 1984. — 165 с.
8. Васильев Л.Л, Вааз С. Л. Замораживание и нагрев грунта с помощью охлаждающих устройств». — Минск: Наука и техника, 1986. — 98 с.