Применение описанной в настоящей работе технологии термостабилизации вечномерзлых грунтов позволило существенно увеличить площадь пятна заморозки вокруг термостабилизатора, уменьшить количество термостабилизаторов на единицу замораживаемой площади, и, как следствие, обеспечить значительную экономию материальных, трудовых ресурсов и сократить время строительных работ.
Область вечной мерзлоты Росси занимает около 67% территории страны и является ее стратегическим тылом, топливно-энергетической базой и золотовалютной кузницей. Там же сосредоточен стратегический запас гидроресурсов и пресной воды, которая в скором времени может стать предметом острого мирового дефицита и военных конфликтов [1].
Глобальные планы России по освоению энергоресурсов в Заполярье, Крайнем Севере и Западной Сибири требуют разработки, освоения и внедрения инновационных и энергоэффективных методов строительства объектов и сооружений в специфической зоне вечной мерзлоты.
В зарубежной и отечественной практике освоения зоны вечной мерзлоты широко используется метод свайного строительства с термостабилизацией грунта вокруг каждой опорной сваи с целью сохранения природного мерзлого состояния грунта при строительстве нефте- и газопроводов, объектов инфраструктуры и др. Для этих целей применяют капсулированные погружные устройства-термостабилизаторы (ТСГ) с хладагентом. ТСГ помещают в специальные скважины, пробуренные рядом с опорными сваями для создания мерзлотного массива [2].
Рис.1. Схема работы стандартного термостабилизатора грунта (ТСГ)
По сведениям производителей [2] радиус зоны замерзания грунта вокруг подобного ТСГ при среднезимней температуре минус 15 оС составляет 1,5 м и имеет вид усеченного конуса на глубину промерзания с диаметром в основании около 0,5 м.
Даже при наличии хороших по термодинамическим свойствам хладагентов (сжиженный аммиак, диоксид углерода) эти ТСГ недостаточно эффективны. Неравномерность плотности и теплопроводности в точке прилегания грунта к корпусу ТСГ, неравномерность структуры грунта по высоте скважины, нестабильный, турбулентный и хаотичный режим кипения/конденсации хладагента [3] в системе грунт – корпус ТСГ – хладагент – конденсатор искажают и снижают интегральное значение теплового потока и коэффициента теплопередачи.
Важно отметит, что в настоящее время разработан и успешно применяется на практике новый, инновационный, высокоэффективный метод термостабилизации вечномерзлых грунтов, лишенный вышеуказанных недостатков. Он позволяет существенно расширить зону промораживания на единицу осваиваемой площади при значительной экономии материально технических средств, трудозатрат и времени строительства, а следовательно, снижается вероятность растепления грунта в летнее время.
Его «секрет» заключается в том, что обычный ТСГ помещают в полугерметичную гильзу, в которую заливают определенное количество низковязкого теплоносителя типа ХНТ-НВ в качестве буферного теплообменного агента. Он позволяет повысить интегральное значение теплоотдачи от грунта и коэффициент теплопередачи ТСГ, кроме того выравнивает его по всей площади теплообмена со стороны испарителя и от грунта через гильзу, что приводит к существенному повышению эффективности работы ТСГ. Такого рода комбинированный ТСГ далее используют по традиционной схеме.
Экологически безопасные и энергоэффективные теплоносители класса ХНТ-НВ, разработаны НПК ООО «Спектропласт» на основе пропиленгликоля с ПАВами, снижающими вязкость и гибридными комплексом ингибиторов коррозии, обеспечивающими стабильную эффективную длительную (более 15 лет) работу ТСГ [4]. Важно отметить, что полный производственный цикл пакета ингибиторов коррозии и снижающих вязкость ПАВов находится в России. Данные теплоносители доступны по цене и выпускаются в промышленных масштабах на российских заводах.
Механизм работы подобной конструкции ТСГ согласуется с теоретическим обоснованием теплообмена комбинированной системы «труба в трубе», схематично показанной на рис.2.
В нашем случае, донная часть внутренней трубы (стандартный ТСГ) заполняется требуемым количеством хладагента, а кольцевой промежуток между корпусом стандартного ТСГ и полугерметичной гильзой, заливается до определенного уровня специальным теплоносителем ХНТ-НВ. Далее отбор тепла нового, комбинированного ТСГ от замораживаемого грунта происходит через стенку гильзы.
Рис.2. Схема работы комбинированного ТСГ.
В общем случае для расчета количества теплоты Q, передаваемого через теплообменную поверхность S , справедлива формула [5]:
где k – коэффициент теплопередачи, Вт/м2∙К, характеризующий процесс передачи тепла между его начальным источником и конечным поглотителем тепла (в нашем случае, грунт и хладагент с последующим выносом в атмосферу) через разделяющую их преграду (в нашем случае, стенка гильзы–промежуточный теплоноситель ХНТ-НВ либо стенка испарителя – хладагент с выводом тепла в атмосферу), ΔT – разность температур грунта и хладагента.
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.
Конкретные значения коэффициента теплопередачи для теплообменника типа «труба в трубе» в нашем случае вычисляются на основе аналогичной формулы для стандартного ТСГ и для новой конструкции.
Ориентировочные расчетные значения коэффициента теплопередачи от грунта к хладагенту для стандартного ТСГ составили 5,7 Вт/м2∙K, а с теплоносителем ХНТ-НВ (новый ТСГ см. рис.) – 12,1Вт/м2∙K.
Расчет теплового потока системы ТСГ с ХНТ-НВ в сравнении со стандартным показал, что отбор тепла от грунта у нового ТСГ в 2 раза выше, чем у стандартного и соответственно больше радиус и объем промерзания грунта. Практические испытания подтвердили эффективность работы нового ТСГ.
В 2012г ТСГ с ХНТ-НВ успешно прошли промышленную апробацию. Система показала высокую эффективность при прокладке магистрального нефтепровода на трассе Ванкор – Пурпе [6]. Площадь замороженного вокруг нового ТСГ пятна удалось увеличить в 1,5-2 раза, что позволило уменьшить количество ТСГ на единицу замораживаемого массива. В целом достигнута значительная экономия опорных труб, крепежного металла и монтажных материалов. Соответственно, уменьшились и трудозатраты строителей и монтажников нефтепровода, сократилось время строительства и ввода в эксплуатацию объектов, что исключительно важно в условиях короткого полярного лета. Данная система подробно описана в [7]. Она принята для промышленного использования и эксплуатации.
Авторы: Д–р.т.н. Галкин М.Л., к.т.н. Генель Л.С., к.т.н. Рукавишников А.М.
Источники информации
1.Девятова Т.А. Энергетика и северный транзит//Атомная стратегия. №46.2010
2.Долгих Г.М.,Окунев С.Н.,Кинцлер Ю.Э. Практический опыт строительства оснований зданий и сооружений в условиях ВМГ. Тюмень. ООО НПО «Фундаментстройаркос» 2002.
3.Ховалыг Д.М., Бараненко А.В. Теплоотдача при кипении хладагентов в малых каналах//Вестник МАХ, №4, 2013.с.3-11.
4. ТУ 2422-011-11490846-07 с изм. №1 «Хладоносители на основе пропиленгликоля с низкой вязкостью (антифризы) ХНТ-НВ»
5.Гуляев В.А.,Вороненко Б.А. и др. Теплотехника. Учебник для вузов. Спб.Изд-во «РАПП», 2009.-352 с. 8.Журнал «ТСР» №5 (30) июнь 2009, с.74-77.
6.Журнал «ТСР» №5 (30) июнь 2009, с.74-76
7. Галкин М.Л., Генель Л.С., Рукавишников А.М. Термостабилизация вечномерзлых грунтов. Холодильная техника, №10,2013.
]]>