Для укрепления оснований зданий и сооружений, построенных на вечной мерзлоте, используется метод замораживания грунтов под этими основаниями.
Замораживание грунтов производится с помощью холодильных машин или сезонных охлаждающих устройств (СОУ), не требующих затрат электрической энергии.
Использование СОУ позволяет не только экономить электрическую энергию, но и производить охлаждение грунтов в районах, где электричество недоступно, например на нефтепроводах и газопроводах.
Начиная с середины XX в. в качестве СОУ использовались термосифоны, однако в последние годы в строительстве стали применяться более совершенные СОУ такие как:
1) горизонтальная естественно-трубчатая система (ГЕТ), позволяющая замораживать большие площади толщиной 2-3 м;
2) система вертикальная естественно-трубчатая (ВЕТ), с помощью которой можно замораживать объемы грунта большой площади и толщиной до 10 м;
3) глубинные СОУ, позволяющие заморажи-вать грунт на небольшой площади на глубину до 100 м, и т. д.
Всегда СОУ имеет испаритель и конденсатор.
Испаритель представляет собой систему труб, соприкасающихся с грунтом, конденсатор контактирует с атмосферой и расположен на несколько метров выше испарителя.
Блок-схема СОУ представлена на рис. 1.
Когда температура атмосферы становится ниже температуры грунта, давление насыщенных паров в конденсаторе падает, вызывая понижение давления в испарителе.
Поскольку температура в испарителе при этом не меняется, давление в нем становится ниже давления насыщенных паров,вызывая кипение хладагента и его циркуляцию внутри СОУ.
Смесь парообразного и жидкого хладагента поступает в конденсатор. В конденсаторе пар конденсируется, и конденсат вместе с принесенной паром жидкой фазой под действием гравитации стекает в испаритель.
Парообразование в испарителе сопровождается оттоком тепла из грунта, а конденсация - выделением тепла в конденсаторе с последующим его отводом в атмосферу.
Процессы тепломассопереноса внутри СОУ были детально исследованы в некоторых работах Аникина, Спасенникова и др.
Приближенные аналитические методы расчета тепломассопереноса в грунтах, охлаждаемых СОУ, также представлены в работах Аникина
В настоящей статье моделировались процессы тепломассопереноса в грунте, охлаждаемом системами ГЕТ под резервуаром с горячей нефтью.
Авторами рассчитаны температурные поля и динамика работы системы охлаждения резервуара, содержащего нефть при температуре 40 °С.
Система охлаждения состоит из 10 конденсаторных блоков с площадью оребрения 100 м2 каждый, поднятых на высоту 3,83 м относительно труб испарителей.
Трубы испарителей покрывают площадь круга диаметром 46 м, расстояние между трубами испарительной системы составляет 0,5 м. Диаметр резервуара 40 м.
Под резервуаром находится гидрофобный слой толщиной 280 мм, затем слой песка толщиной 120 мм, наконец слой пеноплэкса толщиной 450 мм.
Климатические данные взяты по метеостанции Ванкор, расположенной в пос. Советская Речка.
Вычисления производились для среднесуточных, среднедекадных и среднемесячных значений температуры и скорости ветра. Расчетный интервал - с начала сентября 2009 г. по конец августа 2010 г., начальная температура грунта принималась равной 1 °С.
Для расчета тепломассопереноса в грунте применялся метод эффективной теплоемкости, в рамках которого уравнение теплопроводности записывается в виде уравнения 1
где c - объемная теплоемкость грунта; λ - коэффи-циент теплопроводности грунта; T - температура; Tf - температура фазового перехода; x, y, z - де-картовы координаты; t - время; δ(T - Tf) - дельта-функция Дирака. Величина L задается выражением
где r - удельная теплота плавления льда; w - влажность грунта; wнв - влажность незамерзшей воды; γск - объемная плотность скелета.
Расчетная область приведена на рис. 2. Сетка пространственных координат в расчетной области задается следующими выражениями:
Трубы испарительной системы расположены параллельно оси z. Разностная схема, соответствующая уравнению (1), записывается в виде
Здесь aт, aм - температуропроводности талого и мерзлого грунта соответственно; λт, λм - коэффициенты теплопроводности талого и мерзлого грунта; cт, cм - объемные теплоемкости талого и мерзлого грунта.
Величина определяет в методе эффективной теплоемкости диапазон температур, при которых идет фазовый переход
При расчете a(i, j, k) дельта-функция Дирака в (1) заменена на функцию f(T -Tf), заданную следующими выражениями
Рис 1 Блок-схема двухфазного сезонного охлаждающего устройства
Рис. 2. Геометрические характеристики расчетной области в трех координатных плоскостях
Рис. 3. Температура на нижней кромке пеноплэкса на конец февраля (а), мая (б), августа (в) и ноября (г).
На боковых поверхностях расчетной области принималось граничное условие второго рода с тепловым потоком, равным нулю.
На нижней границе расчетной области принималось граничное условие первого рода с температурой, равной начальной температуре, на верхней границе расчетной области принималось граничное условие третьего рода, причем в той части, которая находится под резервуаром, учитывался теплообмен с резервуаром, в остальной части границы расчетной области учитывался теплообмен с атмосферой.
Расчеты производились на суперкомпьютере НКС-30Т СО РАН с использованием MPI-технологии параллельного программирования Результаты расчетов представлены на рис. 3.
Некоторые из результатов приведены также в табл. 1-3.
Из табл. 1 видно, что охлаждающая система работает в течение зимнего сезона не всегда.
Так, из 219 дней с отрицательной температурой 71 день система не работала. Данный эффект связан с разной скоростью изменения температуры в атмосфере и грунте.
Если в некоторый момент времени температура в атмосфере поднимется, оставаясь при этом отрицательной, и станет больше температуры в грунте, охлаждающая система выключается, а включается только после того, как температура атмосферы снова станет меньше, чем температура грунта.
Из расчетов видно, что продолжительность времени, когда система не работает, составляет 32 % от общей длительности зимнего сезона.
Таблицы 2, 3 показывают, что из 243 дней с отрицательной температурой 74 дня система не работала.
Из расчетов следует, что продолжительность времени, когда система не работает, составляет 30 % от общей длительности зимнего сезона.
Поскольку это значение не сильно отличается от величины, полученной при посуточном усреднении температуры атмосферы и скорости ветра, можно заключить, что период усреднения не играет большой роли, если величина его меньше месяца.
В результате расчетов было установлено, что охлаждающие системы значительную часть зимнего периода не работают, что является следствием флуктуаций температуры атмосферы.
Табл 1 Результаты компьютерного моделирования работы сезонных охлаждающих устройств
(период усреднения метеорологических характеристик равен суткам)
Примечание к таблицам
Примечание к табл. 1-3.
Tа - температура атмосферы;
Tи - средняя температура испарителей;
Tк - температура конденсаторов;
Tп - температура под пеноплэксом;
Nпер - количество суток в рассматриваемом периоде;
N отр′ - количе-ство суток, когда температура отрицательная, а СОУ не работает;
Nотр - количество суток, когда температура отрицатель-ная;
M - мощность системы охлаждения;
н/р - не работает.
Таблица 2 Результаты компьютерного моделирования работы сезонных охлаждающих устройств
(период усреднения метеорологических характеристик равен месяцу)
Таблица 3 Результаты компьютерного моделирования работы сезонных охлаждающих устройств
(период усреднения метеорологических характеристик равен декаде)
Источник: научный журнал "Криосфера Земли"
Автор: Аникин Г., Спасенникова К. (Институт криосферы земли СО РАН)
