Термостабилизация многолетнемёрзлых пород с помощью термоэлементов внутри фундаментных свай
Текущее состояние. Основным способом термостабилизации грунта для сохранения устойчивости фундаментов является сооружение вентилируемого подполья. Однако в отсутствие других мер проектные показатели температурного поля грунта, при которых становится возможной передача нагрузок на фундамент, занимает до 5-8 лет. Другим широко применяемым способом охлаждения грунта является использование парожидкостных термостабилизаторов. Существуют системы с охлаждением надземных конденсаторов вентиляторами, а также более сложные системы с горизонтальными или вертикальными испарителями в подземной части. Однако в условиях глобального изменения климата актуальной задачей становится разработка новых технических решений замораживания грунта. К таким способам можно отнести системы с конвекцией холодного воздуха в траншеях или внутри свай, системы с конвекцией других рабочих тел, например, CO2, устройство теплоизоляции или экранирования, применение холодильных машин различного типа, в том числе работающих от возобновляемых источников энергии. В этой связи особенно привлекательна возможность применения абсорбционных холодильных машин, для работы которых требуется не электрическая, а тепловая энергия
Решаемая научная проблема. В статье предлагается способ решения научной проблемы обеспечения мёрзлого состояния грунта для сохранения устойчивости свайных фундаментов при наличии технологических источников теплоты. Идея работы: мёрзлое состояние грунта может быть обеспечено подачей охлаждённого с помощью холодильной машины хладагента в термоэлементы внутри свай фундамента. Задачами исследования является: доказательство повышения эффективности термостабилизации грунта при размещении термоэлементов внутри свай на различной глубине; разработка функциональной схемы холодильной машины для круглогодичной термостабилизации грунта.
Методы исследования. Объектом исследования является система «свайное основание – грунт». В рамках данной работы оценивалось распределение температур грунта и корпуса свай. Вычисления осуществлялись с помощью универсальной программной среды COMSOL Multiphysics, реализующей при расчётах метод конечных элементов. Задача решалась в стационарной постановке, т.е. динамика не исследовалась. Сначала проведено моделирование при отсутствии термостабилизации грунта (хладагент в термоэлементы не подаётся). Затем проведено моделирование при термостабилизации грунта, причём исследовалась возможность размещения термоэлементов на различной глубине внутри свай.
Детали исследования. На первом этапе было проведено моделирование теплового режима системы «свайное основание – грунт» в отсутствие термостабилизации грунта. Хладагент в термоэлементы при этом не подавался. Результаты моделирования приведены на рисунке 1.
Рисунок 1 - Изотермы грунта в модели без термостабилизации грунта
Из рисунка 1 видно, что грунт вокруг свай имеет температуру выше 0 °С, причём значительная часть поверхности свай соприкасается с грунтом, имеющим температуру даже выше +1 °С. Очевидно, устойчивое состояние свайного основания в этом случае не обеспечивается. Данные о распределении температур для данного случая приведены далее в таблице 1.
На следующем этапе было проведено моделирование теплового режима системы «свайное основание – грунт» при термостабилизации грунта путём подачи охлаждённого до отрицательной температура хладагента в термоэлементы. Термоэлементы размещены внутри свай на одинаковой глубине: расстояние от спирали термоэлемента до поверхности земли составляет 2 м. Полученные изотермы в сечении модели представлены на рисунке 2.
Рисунок 2 - Изотермы грунта в модели при термостабилизации грунта при размещении термоэлементов внутри свай на одинаковой глубине
Из рисунка 2 видно, что в заданных условиях обеспечивается мёрзлое состояние грунта вокруг свай. Следует отметить, что с подветренной стороны за счёт потока воздуха, нагреваемого источником теплоты, образуется значительная область растепления, параметры которой существенно зависят от направления ветра. На приведённом рисунке 2 глубина оттаивания составляет 8.3 м. Данные о распределении температур для данного случая также приведены в таблице 1.
Таблица 1. Данные о температуре поверхности сваи и грунта при различных вариантах размещения термоэлементов внутри свай
№ | Глубина опускания верхней части термоэлемента относительно уровня земли, м | Средняя температура поверхности сваи ниже уровня земли, °С | Средняя температура грунта в расчётной области, °С | |||||
Свая 1 | Свая 2 | Свая 3 | Свая 1 | Свая 2 | Свая 3 | в сечении | в объёме | |
1 | Термостабилизация отсутствует | 1,01 | 0,79 | 0,54 | -0,46 | -0,81 | ||
2 | 1 | -0,87 | -1,05 | -1,12 | -0,58 | -0,84 | ||
3 | 1,5 | -0,90 | -1,06 | -1,13 | -0,64 | -0,82 | ||
4 | 2 | -0,81 | -1,00 | -1,08 | -0,62 | -0,88 | ||
5 | 3 | -0,84 | -0,97 | -1,02 | -0,61 | -0,85 | ||
6 | 1,5 | 1 | 1 | -0,88 | -1,10 | -1,19 | -0,68 | -0,90 |
7 | 2 | 1 | 1 | -0,85 | -1,13 | -1,22 | -0,68 | -0,92 |
8 | 3 | 1 | 1 | -1,02 | -1,24 | -1,31 | -0,72 | -0,91 |
9 | 4 | 1 | 1 | -0,68 | -1,09 | -1,14 | -0,62 | -0,86 |
Одной из задач исследования было установить целесообразность размещения термоэлементов внутри свай на разной глубине. В связи с этим в ходе моделирования изменялась глубина опускания термоэлементов внутри свай. Результаты моделирования температурного поля прилегающего к сваям грунта при некоторых вариантах размещения термоэлементов внутри свай показаны в таблице 1. Анализ результатов показывает, что в заданных условиях моделирования различная глубина размещения термоэлементов внутри свай приводит к более низким температурам охлаждаемого грунта. На рисунке 3 показаны изотермы грунта для варианта 8 (как наиболее оптимального) из таблицы 1: глубина размещения термоэлементов №1/2/3 (расстояние от поверхности земли до спирали термоэлемента) составляет 3/1/1 м соответственно. Сравнение изотерм на рисунке 3 и рисунке 2 также наглядно показывает, что в заданных условиях целесообразно размещать термоэлементы на различной глубине. Таким образом, в заданных условиях большая глубина опускания термоэлемента в свае, ближайшей к области растепления грунта, позволяет снизить температуру поверхности сваи ниже уровня земли, и, значит, увеличить её несущую способность.
Рисунок 3 - Изотермы грунта в модели при термостабилизации грунта при размещении термоэлементов внутри свай на различной глубине
При обеспечении несущей способности сваи 1 в варианте 7 он также должен рассматриваться, поскольку даже несмотря на некоторое увеличение средней температуры каждой сваи и средней температуры грунта в сечении модели, средняя температура грунта в объёме расчётной области ниже. В заданных условиях эта величина слишком мала (0.01 °С), однако в других обстоятельствах могут демонстрировать похожие результаты. Первоочередным фактором является несущая способность сваи в данных условиях. Таким образом, актуальной задачей будущего исследования является определение критериев оптимальности выбора глубины опускания термоэлементов и создание методики выбора оптимальной глубины их размещения.
Обеспечить охлаждение хладагента, подаваемого в термоэлементы, размещаемые внутри свай, до небольшой отрицательной температуры можно с помощью абсорбционной холодильной машины (АХМ). Особенно актуально это при наличии технологических установок, являющихся источником бросовой теплоты, например, двигателей внутреннего сгорания или газовых турбин. В данной работе описана усовершенствованная конструкция АХМ для обеспечения круглогодичного замораживания грунта. Функциональная схема АХМ с установленным в верхней части АХМ аппаратом воздушного охлаждения (АВО) показана на рисунке 4.
Рисунок 4 - АХМ с АВО для круглогодичной термостабилизации грунта: 1 – АХМ; 2 – АВО; 3 – коллектор нагретого теплоносителя; 4 – коллектор охлаждённого теплоносителя; 5 – насос; 6-11 – вентили; 12-15 – тройники; 16, 17 – линии; 18 – испаритель АХМ
Предлагаемая АХМ работает следующим образом. От коллектора 4 по трубопроводам к сваям подаётся охлаждённый до отрицательной температуры теплоноситель. На коллектор 3 по трубопроводам от свай поступает нагретый теплоноситель, который затем насосом 5 подаётся на тройник 12.
При работе АХМ 1, преимущественно в тёплое время года, в открытом состоянии находятся вентили 6, 7, 10, 11, а в закрытом состоянии – вентили 8 и 9. В этом случае нагретый теплоноситель поступает в линию 17, проходящую через испаритель 18 АХМ 1, где охлаждается. Через открытый вентиль 7 на коллектор 4 поступает охлаждённый до отрицательной температуры теплоноситель. Охлаждение абсорбера и конденсатора (на рисунке 4 не показаны), обеспечивается с помощью АВО 2. Для этих целей обеспечивается циркуляция теплоносителя по замкнутому контуру, образованному линией 16 и АВО 2.
В случае если требуется осуществлять замораживание грунта при отрицательной температуре окружающей среды, в открытом состоянии находятся вентили 8, 9, а в закрытом состоянии – вентили 6, 7, 10, 11. В этом случае подаваемый в АХМ 1 насосом 5 нагретый теплоноситель поступает через открытый вентиль 8 на вход АВО 2. Охлаждённый теплоноситель с выхода АВО 2 через открытый вентиль 9 поступает на коллектор 4, где распределяется по трубопроводам, ведущим к сваям. Таким образом, охлаждение грунта при отрицательных температурах окружающей среды может осуществляться без включения АХМ.
Заключение. Термостабилизация многолетнемёрзлых пород для недопущения их оттаивания в летние периоды является важной научно-технической задачей, решаемой в большинстве случаев с помощью вентилируемого подполья и парожидкостных систем термостабилизации. Однако в условиях глобального изменения климата, актуальными становятся разработки новых способов термостабилизации, к которым относятся и системы с холодильными машинами. Основные результаты, полученные в данном исследовании, обосновывают целесообразность усовершенствования различных устройств для термостабилизации грунта. Результаты работы могут применяться в том числе в устройствах, не имеющих в своём составе холодильной машины, потому что термоэлементы внутри свай могут представлять собой, например, испарители термосифонов.
мёрзлое состояние грунта вокруг свай может достигаться путём подачи в термоэлементы, расположенные внутри свай, теплоносителя, охлаждённого до небольшой отрицательной температуры.
наличие источника тепловой мощности на платформе, установленной на сваях, может приводить к образованию значительной приповерхностной зоны растепления за счёт теплопередачи через конвекцию.
установлено, что в общем случае глубинные термоэлементы для замораживания или поддержания в мёрзлом состоянии грунта целесообразно размещать на различной глубине.
предложена оригинальная схема устройства, включающего АХМ и АВО, для обеспечения круглогодичного охлаждения грунта в условиях криолитозоны.
На первом этапе исследования были приняты допущения и ограничения: так, в составе моделируемого грунта отсутствует вода, а процесс термостабилизации моделировался в стационарной постановке задачи. Эти обстоятельства будут учтены в будущем продолжении исследований, предполагающим также создание лабораторного стенда и верификацию разработанной модели. Другим направлением работы является уточнение конструкции свайного основания и расширенный механический расчёт несущей способности фундамента. Выполнение данной работы и планируемых исследований по тематике проекта позволит обосновать требуемую производительность перспективной абсорбционной холодильной машины для нужд термостабилизации грунта, прилегающего к свайному фундаменту.