ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И ПРОЕКТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ ОРГАНИЗАЦИИ, МЕХАНИЗАЦИИ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОМОЩИ СТРОИТЕЛЬСТВУ ГОССТРОЯ СССР (ЦНИИОМТП)

РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО РАСЧЕТУ И ПРИМЕНЕНИЮ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ОТТАИВАНИЯ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

МОСКВА-1971

В основу настоящих Рекомендаций положены ревультаты

лабораторных, натурных, теоретических и производственных исследований, проведенных в различных климатических условиях Советскою Союза, по определению оптимальных параметров, необходимых для рациональною применения методов оттаивания мерзлых грум го в.

Данная работа выполнена лабораторией разработки мерзлых грунтов отдела организации, технологии и механизации земляных работ Центральною научно-исследовательского и проектно-экспериментальною института организации, механизации и технической помощи строительству (ст. научи, сотр. Е. Г. Никольским).

Рекомендации могут быть использованы инженерно-техническими работниками строительных и проектных организаций для составлен’ я проектов производства работ по оттаиванию грунтов и их непосредственною выполнения на строительных площадках.

_3-2-4_

План 11-111 кв. 71 г., М 41

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

1.    Применение метода оттаивания...............2

2.    Определение основных зависимостей при оттаивании мерзлых

грунтов ........................ .    5

3.    Определение количества нагревателей для производства работ и технологические схемы их выполнения........19

Приложения.........................31

Центральный научно-исследовательский и проектно-экспсрпусчтал» пий институт организации, механизации и технической гоноши строительству Госстроя СССР (ЦНИИОМ11Т)

Рекомендации по расчету и применению электронагревателей для оттаивания мерзлых грунтов

* * *

СтроПиздат Москса, Кузнецкий мост, 9

* * *

Редактор издательства Савранская Л. А.

Тсхническ» й [«едактор Цноземиевв Н. Е.

Корректор А т а с и н а Л. П.

Ол и*© в iia^op 4/VII1 1971 г. Подписано к п°чати 2G/X 1971 г. Т-13957. Бумага 84 lot»/., д. л. 0.5 бум. л. 1 68 уел. печ. л. (уч.-нзж. 1.95 Л.). Тираж 10 000 экз.

Ияд. .К» ХП-32.-9. Зак. М 714. Цена Ю к.__

Сортавальская книжная типография Управления по печати при Совете Министров КАССР. Сортавала, Карельская, 42.

оттаивания максимальная. Оптимальное расстояние от нагревателя до стенки шпура определяется согласно графику, представленному на рис. 3.

2.9. Нагреватели с удельной мощностью 0,3--1,5 вт'слг устанавливаются в шпур с засыпкой,

Расстояние между чпемпои шпура и наередатепем д мм Рис. 3. Оптимальное расстояние между стенкой шпура н нагревателем

т. е. с плотным контактом его с массивом грунта. Нагреватели подобного типа используются только в исключительных случаях. При этом следует помнить, что радиус оттаивания составляет 0,25—0,3 м.

ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА ПРОГРЕВА ГРУНТА НА РАДИУС И ВРЕМЯ ОТТАИВАНИЯ

2.10. Длительное температурное воздействие на грунт нерационально. При длительном прогреве грунтовая влага близлежащих к нагревателю слоев начинает интенсивно испаряться, происходит перегрев контакт-

ного слоя, в результате чего плотность теплового потока значительно снижается. В этот период происходит замедление процесса, т. е. дальнейшее увеличение времени прогрева не приводит к увеличению радиуса оттаивания, а увеличивает лишь энергоемкость.

2.11.    Наиболее целесообразным следует считать цикличный прогрев.

Оттаивание в этом случае производится с чередованием циклов прогрева и термосного выдерживания, следующих друг за другом. В период прогрева к грунту подводится тепло, необходимое для оттаивания некоторого объема и нагревания его на определенную величину. В период термосного выдерживания часть тепла, полученная при нагревании этого объема, расходуется на увеличение зоны оттаивания и нагрева ее.

При подобном режиме оттаивания общее время прогрева невелико: период термосного выдерживания используется не только для дальнейшего оттаивания, но и для выравнивания температур, что позволяет избежать побочных явлений, описанных выше (пп. 2.5, 2.10).

2.12.    Основной величиной, определяющей весь процесс оттаивания в целом, является время первого прогрева, так как в это время грунт должен получить вполне определенное количество тепла*. Время первого периода ппогрева составляет 6—12 я, время термосного выдерживания — 3 — 6 я. Такой цикл (прогрев и термос) в зависимости от глубины промерзания и физико-механических свойств грунта повторяется 2—3 раза. Например, режим прогрева (8п -)- 4т)2 — 8 ч прогрев и 4 я термосное выдерживание повторяется дважды.

Подробный расчет режима прогрева приводится в п. 2.26.

ВЛИЯНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ «ГРУНТА НА РАДИУС И ВРЕМЯ ОТТАИВАНИЯ

2.13.    При производстве работ по оттаиванию грунтов необходимо учитывать, что величины радиуса и вре-

¹ При использовании нагревателей с удельной мощностью 0,3—1,5 ет/см- прогрев производится в течение 10—12 ч только один раз. В этом случае тепла, полученного при прогреве, недостаточно для увеличения радиуса оттаивания при термосном выдерживании.

мени оттаивания зависят от грунтовых условий и в первую очередь от вида грунта, его влажности, температуры и объемного веса.

ВЛИЯНИЕ ВИДА ГРУНТА

2.14.    Скорость оттаивания изменяется с изменением дисперсности грунта. Песчаные грунты состоят из небольшого количества крупных твердых частиц; в глинистых грунтах — много мелких частиц. Частицы грунта находятся в неплотном соприкосновении друг с другом, и каждый контакт служит препятствием прохождению тепла. Следовательно, с уменьшением дисперсности грунтов (увеличением крупности твердых частиц) скорость оттаивания увеличивается. Песчаные грунты оттаивают значительно быстрее, чем грунты глинистые.

Например, при прогреве в течение 8 я радиус оттаивания глинистого грунта составляет 25 см, а песчаного—30 см (при одинаковых начальных условиях). С увеличением времени прогрева до 12 я эта разница увеличивается на 10—12 см«

ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ ГРУНТА

2.15.    Основное, определяющее влияние на скорость оттаивания оказывает влажность мерзлых грунтов, т. е. лед и неза.мерзшая вода. С увеличением влажности грунта скорость оттаивания уменьшается.

Так, песчаные, крупнозернистые и гравийные грунты обычно содержат мало воды. В грунтах пылеватых и глинистых воды содержится больше. Скорость оттаивания в первом случае значительно превышает скорость оттаивания глинистых грунтов.

Наиболее сильно влажность грунтов влияет на скорость оттаивания через фазовые переходы воды. При этом чем больше влажность (льдистость) грунтов, тем больше тепла затрачивается на фазовые переходы в них и тем меньше скорость оттаивания.

Например, при прогреве в течение 8 я радиус оттаивания составляет:    для    песчаных    грунтов    при

влажностях 4, 8, 15, 20% — соответственно 35, 32, 28, 25 см\ для глинистых грунтов при тех же влажностях — соответственно 27, 24, 21, 19 см (при одинаковых начальных условиях), с увеличением времени прогрева до 12 я эта разница увеличивается на 15—18 см.

Расчет тепла при оттаивании песчаных и глинистых грунтов

ВлажвОСТЬ грунта весовая в % Расход тепла в ккал нагрей скелета груша нагрел воды нагрел льда тавле- нис льда тепло- потери нагрев воды из льда оощие затраты Песок 4 4185 о 310 4960 360 977 10742 15 4200 0 920 16 800 1050 2303 25 333 25 4680 0 1560 26 000 1625 3386 37 251 Г л и н а 18 4715 1718 655 10 800 675 1978 21758 27 4830 2025 1098 17 568 1098 2616 28 785 40 5625 3105 1783 28 520 1783 4002 44023

В табл. 1 приведены данные расчета расходов тепла при оттаивании песчаных и глинистых грунтов. Расчет произведен при следующих исходных данных: объемный вес грунтов 1600 кг/м*; объемный вес скелета грунтов 1150—1550 кг-м?_у начальная температура грунтов — 10°С; конечная температура оттаянных грунтов + 5°С; влажность песчаных грунтов изменилась от -1 до 25%; влажность глинистых грунтов изменилась от 18 до 40%.

В соответствии с данными табл. 1 от 46 до 65% еиловой энергии расходуется на плавление льда.

2.16. Влажность мерзлого грунта — количество воды, находящееся в грунте как в жидкой, так и в твердой фазе, вычислено в процентах к весу сухого грунта или его объему.

Для однородных мелкозернистых грунтов весовую влажность допускается определять методом высушивания, как и для талых грунтов, по ГОСТ 5179-49.

Для неоднородных мерзлых грунтов следует отбирать из шурфов не менее трех образцов с каждого горизонта. Повторность лабораторного определения влажности принимается не менее трехкратной.

2.17. Количество воды, находящейся в твердой и жидкой фазах, для приближенной оценки в полевых условиях можно определить по формулам:

где Worm — общая или суммарная влажность, определяемая согласно п. 2.16;

W*^cc — весовое содержание льда в единице объема мерзлого грунта;

U7"^cc — весовое содержание незамерзшей воды, определяемое согласно рис. 4;

WSL — суммарная объемная влажность;

W°⁶ — объемное содержание льда в единице объема мерзлого грунта;

W0⁶ —объемное содержание незамерзшей воды.

2.18.    Граничные величины жидкой фазы для различных грунтов определяются в зависимости от начальной температуры грунта и его максимальной молекулярной влагоемкости.

2.19.    Под льдистостью мерзлых грунтов понимается общее содержание льда в мерзлом грунте, выраженное в долях от веса мерзлого грунта или от объема.

Относительной льдистостью называется отношение веса льда к весу всей воды, содержащейся в мерзлом грунте.

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ГРУНТА

2.20. Следующим фактором, влияющим на скорость оттаивания, является начальная температура грунта. С уменьшением начальной температуры грунтов скорость оттаивания, уменьшается.

При этом влияние начальной температуры грунта на скорость оттаивания более сильно сказывается при прогреве глинистых грунтов, так как льдистость их увеличивается с понижением температур.

Например, при прогреве в течение 8 к радиус •оттаивания при начальных температурах грунта —3; —5; — 8°С соответственно составляет для песчаного грунта 30; 28; 26 см; для глинистого 26; 24, 22 см (при ■одинаковых начальных условиях).

ВЛИЯНИЕ ОБЪЕМНОГО ВЕСА

2.21.    С увеличением объемного веса грунта скорость его оттаивания увеличивается.

При уменьшении объемного веса грунта увеличивается содержание воздуха, теплопроводность которого значительно ниже, чем твердая или жидкая фазы грунта, поэтому более рыхлый, более воздухосодержащий грунт имеет и более низкую скорость оттаивания. Однако ввиду того, что „культурный" слой грунта при строительстве самый разнообразный, учет влияния объемного веса на скорость оттаивания можно не производить.

УТЕПЛЕНИЕ ГРУНТА ЗПРИ ОТТАИВАНИИ

2.22.    При оттаивании грунтов нагревательные приборы и подготовленный участок должны быть тщательно утеплены. В качестве утеплителя можно применять любой теплоизоляционный материал (табл. 2), за исключением легковоспламеняемого.

Прогреваемый участок утепляется шире его рабочих контуров на 40—50 см. Например, при ширине намеченной траншеи 1 м ширина утеплителя 2 м.

2.23.    Толщину утеплителя определяют теплотехническим расчетом. Как показала практика, для утепления достаточно использовать выпускаемые промышленностью шлаковатные плиты толщиной 7 см.

Для этих целей 10 — 12 шлаковатных плит размером 100X50X7 см каждая обшивались с внутренней и внешней стороны брезентом. Собранные теплоизоляционные маты (шириной 1 м и длиной 5 — 6 м) использовались в течение всего зимнего периода. Вес одного мата — 30—40 /сг, стоимость — 15 -18 руб.

Основные характеристики некоторых леплоизоляционных материалов

Материал	; Температура при 1 исследовании ®С	•» *•< В X н 1 й о с	£ и О 2 В И • о а* в • М с *е о «3 Е * 5* Нш	Температуропроводность в м*/ч а-10*	eS 14 4» Г о CS G, ^ >> Ь вО	Влажность в к 1
Асбестовая ткань . .	150	600	0,14)
Вата хлопковая . . .	50	50	0,055	25,4	0,437	—
Воздух .......	0	1,193	0,021	677	0,24	Сухой
Войлок шерстяной . .	50	330	0,046	—	—	—
Войлок бумажный . .	—	300	0,049	—	—	—
Войлок строительный	25-f 5	84	0,039	—	—	Сухой
Г рунт, смешанный с торфом.....	20	1020	0,437	8,02	0,53	38
Грунт песчаный мелкозернистый ....	0	1430	0,16	7,1	0,16	0,24
Камышит......	—	400	0,12	8,6	0,35	—
Керамзит в засыпке	—	500	0,18	17,1	0,21	—
Минеральная вата . .	0	100	0,038	21,8	0,174	—
Минеральный войлок	—	250	0.С65	14,4	0,18	—
Минераловатные плиты ........	_	400	0,10	12,9	0,18	_
Песок речной ....	20	1500	0,28	9,85	0,19	Сухой
Рубероид ......	—	600	0,15	7,1	0,35	—
Снег уплотненный . .	—	350	0,30	17,2	0,5	—
Соломит .......	254-5	244	0,076	—	—	Сухой
Стеклянная вата . . .	100	200	0,056	16,1	0,18	—
Стеклянный войлок	50	50	0,041	3,69	0,222	—
Торф измельченный	20	200	0,051	7,15	0,36	—
Шерстяной войлок строительный . . .	—	150	0,05	7,4	0,45	—
Шлак топливный . .	—	1C 00	0,25	13,9	0,18
Шлаковая вата . . .	0	100	0,038	21,8	0,174

2.24. При радиальном оттаивании теплоизоляционные маты укладываются на грунт вдоль нагревателен. При поверхностном оттаивании — непосредственно на короба, с учетом расстояний, указанных в п. 2.22.

Ввиду того что верхняя часть нагревателя (пассивная) длиной 126 мм не нагревается, теплоизоляционные маты не пригорают и не портятся.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИУСА И ВРЕМЕНИ ОТТАИВАНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

НАГРЕВАТЕЛЯ; ФИЗИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ

2.25.    Определение радиуса и времени оттаивания распадается на два этапа: определение радиуса оттаивания в периоды прогрева и термосного выдерживания первого цикла и определение радиуса оттаивания в периоды прогрева и термосного выдерживания последующего цикла.

2.26.    Радиус оттаивания в период первого цикла прогрева определяется по номограммам, построенным для песчаных (рис. 5) и глинистых (рис. 6) грунтов.

В номограммах по оси ординат отложены радиусы оттаивания, а по оси абсцисс — комплексная величина, учитывающая удельную мощность нагревателя, время оттаивания и скрытые теплоты плавления льда (льди-стость грунта)

1000,

где А^_уд — удельная мощность нагревателя в вт;см^г, при расчетах задается по оптимальным значениям, равным 1,5 — 2,8 втсм^г (см. пп. 2.6—2.8);

'пр — время прогрева первого периода п ч; при расчетах задается также по оптимальным значениям, равным 6 — 12 ч (см. п. 2.12);

1000 — постоянный множитель;

<7 —скрытая теплота плавления льда в единице объема грунта в ккал/м³; определяется формулой

q *= 801/_л ккал/м\

здесь 80 —скрытая теплота плавления льда в ккал/кг; V_a — объем льда, заключенного в единице объема грунта, определяемый в натуре из условия

К = Тоб — Тск кг/м³.

где Yuc — объемный вес грунта в кг .«*;

Y_0K — объемный вес скелета грунта в кг/м*.

2.27.    Радиус оттаивания в период первого цикла термосного выдерживания составляет а время--

2.28.    Радиус оттаивания в последующий цикл прогрева определяется аналитическим путем из выражения

^Г-^>=1+ ^ + ^м' ⁽⁷⁾ где Q — тепловой поток нагревателя в ккал/м ■ ч, определяемый по формуле Q = 0,86(7/ = = 0,&6/V ккал/м-ч (0,86 — переводной коэффициент; (7 — напряжение нагревателя в в. / — ток нагревателя в а; /V — мощность нагревателя в кет);

-г_1|р— время прогрева в ч; q — скрытая теплота плавления льда в ккал/м³; г, — радиус оттаивания первого цикла прогрева вм.

2.29.    Радиус и время оттаивания в период повторного цикла термосного выдерживания соответственно

составляют - м и —- ч.

2.30.    Полный радиус оттаивания

#иол^е=г2 + -у-    (8)

Полное время оттаивания определяется формулой ^пол = (^пр “Ь ^тв) 2 К.    (9)

2.31.    Из выражения (6) по заданным радиусу и времени оттаивания можно определить необходимую удельную мощность нагревателя.

Пример. Требуется определить полный радиус оттаивания» время прогрева и термосного выдерживания, удельную мощность нагревателя и диаметр шпура для его установки при оттаивании песчаного грунта общей влажностью 8%, начальной температурой —6^СС; объемным весом грунта 14С0 кг/и/³, объемный вес скелета грунта 1300 кг 1м*.

Согласно п. 2.6 принимаем удельную мощность нагревателя равной 2,2 вт/см², полезная площадь нагревателя 455 см'². Оттаивание грунта нагревателем с принятой удельной мощностью производится циклами с временем первого периода прогрева не более 12 ч (п. 2.12). Принимаем время прогрева в период первого цикла равным 10 ч. Для определения $ формула (6)) первоначально вычислим скрытую теплоту плавления льда, заключенную в единице объема грунта:

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И ПРОЕКТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ ОРГАНИЗАЦИИ, МЕХАНИЗАЦИИ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОМОЩИ СТРОИТЕЛЬСТВУ ГОССТРОЯ СССР (ЦНИИОМТП)

РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО РАСЧЕТУ И ПРИМЕНЕНИЮ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ОТТАИВАНИЯ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Радиус оттаивания в период повторного термосного выдерживания (по п. 2.29) составит 0,13 м, а время—5 ч.

Таким образом, при использовании нагревателя удельной мощностью 2,2 вт/см⁸ псиный радиус оттаивания (п. 2.30) — 0,8*; режим прогрева —(Юп+ 5 т) 2 и диаметр шпура для установки нагревателя, определенный согласно рис. 3, 12*2 + мм.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА НАГРЕВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ИХ ВЫПОЛНЕНИЯ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ.КОЛИЧЕСТВА НАГРЕВАТЕЛЕЙ

3.1. Объем грунта, оттаянного одним нагревателем, составляет

Vox = л r²Hk_yb = 4,4 г²Н я\    (10)

Vh = аЬ Н k_yB я³    (11)

где Vl_u К₀^ГТ — объем оттаянного грунта вертикальным и горизонтальным нагревателем в я^ч; ab — площадь отогрева в я²;

И — глубина оттаивания в я\ k_YB — коэффициент, учитывающий увеличение объема оттаянного грунта за счет изменения его начальной температуры по глубине промерзания;

Аув~1А

3.2.    При производства работ по оггаиванню мерзлых грунтов наиболее рациональной расстановкой нагревателей следует считать такую, при которой намеченный массив грунта оттаивается неполностью и между нагревателями остаются некоторые зоны налрогретого грунта с толщиной стенок, дающих возможность для непосредственной разработки их экскаваторами. При такой схеме производства работ энергоемкость оттаивания сокращается на 40—50%.

3.3.    Количество нагревателей, необходимых для _йнеполного^u оттаивания за данного объема грунта, с учетом допустимой толщины стенок непрогретого грунта

1.1.    Метод оттаивания мерзлых грунтов с использованием электронагревателей рекомендуется применять в исключительных случаях — при невозможности применения взрывного или механического рыхления, а также при наличии свободной электроэнергии, при условии применения его не в ущерб другим строительно-монтажным работам, осуществляемым со значительной затратой электроэнергии (электропрогрев бетона и др.) и с согласия инстанций, контролирующих расход и потребление электроэнергии.

1.2.    Целесообразность подготовки мерзлых грунтов к разработке различными методами обосновывается технологией и стоимостью производства работ.

1.3.    Оттаивание грунтов применяют при сравнительно небольших объемах подготавливаемого грунта — отогрев небольших котлованов, участков траншей, вводов и т. д.; в труднодоступных местах и стесненных условиях; при близком расположении к месту производства работ трубопроводов, кабелей и других подземных сооружений; при аварийных и ремонтных работах.

Для этих целей используется поверхностное и радиальное оттаивание.

1.4.    При поверхностном оттаивании прогрев осуществляется сверху — вниз от нагревателя, размещенного на поверхности грунта (рис. 1).

Преимущество метода поверхностного оттаивания заключается в простоте монтажа и эксплуатации нагревательных приборов. Однако его применение приводит к значительным тепловым потерям, что обусловливает:

низкий к. п. д. нагревателей;

медленный процесс оттаивания из-за одностороннего теплового воздействия на грунт;

непроизводительные затраты тепла на испарение верхнего слоя переувлажненного грунта;

увеличенные энергозатраты на оттаивание единицы объема грунта.

Кроме того, послойное опаивание грунта приводит к непроизводительному использованию землеройных машин при последующей его разработке.

Поэтому методы поверхностного оттаивания как наиболее энергоемкие и продолжительные по времени следует применять только в крайнем случае —при необходимости оттаивания грунта на небольшую глубину порядка 0,5—0,6 м п менее, при производств

Рис. 1. Схемы установки нагрева-лей л — при поверхностном огтаиванки; о —при радиальном оттаивании; 1 - утеплитель; 2 — нагреватель

работ вблизи подземных коммуникаций, а также при эпизодических разработках грунта на небольших участках.

Стоимость оттаивания грунтов поверхностным методом составляет 1,2—1,5 руб/м*. Энергозатраты при этом колеблются от 40 до 70 квт-ч/м³.

1.5. При радиальном оттаивании прогрев производится в горизонтальных направлениях, „по радиусам* от нагревателя, размещенного в мерзлой зоне грунта в шпуре диаметром 60—100 мм и глубиной, равной 100—120 см (рис. 1).

При радиальном оттаивании возможность теплового воздействия одновременно по всей или большей части глубины промерзания обеспечивает:

минимальные тепловые потери при прогреве: минимальные энергозатраты на оттаивании единицы объема грунта;

значительное сокращение времени оттаивания, так как тепловой поток распространяется во все стороны от поверхности нагрева;

возможность оттаивания грунта на глубину промерзания, обеспечивающую широкое применение землеройных механизмов.

1.6.    В качестве теплоисточника при радиальном оттаивании наиболее эффективно использовать электрические иглы. Удобство электрических игл заключается в простоте монтажа и обслуживания; отсутствии дополнительного оборудования; возможности поддерживания необходимой мощности и температуры на поверхности иглы, а также доступности и простоте их изготовления.

1.7.    Себестоимость оттаивания грунтов радиальным методом с использованием электрических игл составляет (при глубине промерзания 1,5 м) 0,5—0,7 руб/м¹ при энергозатратах от 13 до 18 квт-ч/м¹ (энергозатраты при использовании паровых, водяных игл и электродов составляют 40— 70 квт-ч/м^:1)¹.

1.8.    Метод радиального оттаивания следует применять (за исключением случаев, описанных в п. 1.4) как-наиболее экономичный и производительный.

Для этих целей применяют электронагреватели, выпускаемые серийно.

Техническая характеристика нагревателя

11оминальная мощность..........1 кет

Номинальное напряжение......... 220 в

Номинальный ток . . . •.........4,6 а

Сопротивление спирали..........48,6 ом

Удельная поверхностная мощность спирали, 3,5 вт/см-

То же, активной    части    трубки ...... 2

Пнхромовая проволока:

диаметр................0,6 мм

длина.................20 м

Гарантийный срок работы нагревателей . . 3000 ¹/

При необходимости использования электронагревателей для поверхностного оттаивания последние устанавливаются в теплоизолированные короба.

1.9. Производительность методов поверхностного н радиального оттаивания можно определить исходя из полного количества рабочих циклов в сезон Ц и объема оттаянного грунта за это время

Я_год = я V’₃,x м*!сезон,    (I)

где    И    — ^г *"^с' ²⁴ циклов,

'общ

здесь z — количество дней в сезоне, в течение которых необходимо производить прогрев грунта;

£_нс — коэффициент использования нагревателей по времени, принятый 0,8;

-об,., ~ общее время нахождения    нагревателей

на захватке в ч:_;

«Г -    -    _1_    П —1— Т U

•общ ^wnp I ^VTB I ^WM

"_np — время прогрева в я\

“тв — время термосного выдерживания в ч\

— время, необходимое для монтажа и демонтажа нагревателей, в к;

1/_зах — объем оттаянного грунта на одной захватке в м?\

V — F Hk it*

^v зах — ¹ от *¹ ^рас ^м >

здесь F_or — площадь оттаивания в м^г;

Н — глубина оттаивания в м\

/fepjc — коэффициент рациональной расстановки нагревателей, при расчетах принимается 1,1.

Таким образом,

Я_гоч — _т *£«----.....F„Hk„ ^iioo.    (2)

^тпр "г ‘ТВ “Г ‘М

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ПРИ ОТТАИВАНИИ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

2.1. Для успешного производства работ по оттаиванию мерзлых грунтов электронагревателями необходимо учитывать основные условия, влияющие на тепло-

передачу и режим оттаивания грунта: мощность нагревателя и режим его работы; режим прогрева грунтов; физические и теплофизические свойства грунтов.

Влияние этих условий определяется теплотехническим расчетом и проверяется контрольным прогревом.

ВЛИЯНИЕ УДЕЛЬНОЙ МОЩНОСТИ НАГРЕВАТЕЛЯ И РЕЖИМА ЕГО РАБОТЫ НА ВЕЛИЧИНУ РАДИУСА И ВРЕМЕНИ ПРОГРЕВА

2.2.    Как показали исследования, факторы, влияющие на величину радиуса и времени оттаивания, могут быть разделены на следующие группы:

а)    факторы, непосредственно связанные с удельной мощностью нагревателя;

б)    факторы, зависящие от режима работы нагревателя (различные способы установки нагревателя при оттаивании).

Влияние приведенных факторов на скорость оттаивания далеко не одинаково. При небольших удельных мощностях нагревателя наилучшим условием теплообмена является непосредственный контакт нагревателя с массивом грунта. С увеличением удельной мощности таким условиям соответствует его свободная установка—-при определенном расстоянии нагревателя от грунта. Увеличение или уменьшение этого расстояния сверх определенного значительно ухудшает теплообмен, увеличивая время и энергоемкость процесса оттаивания. Вышеперечисленные факторы влияют и на внутренние процессы, происходящие при прогреве.

2.3.    Рациональность и экономичность процесса оттаивания оценивается энергоемкостью: произведением затрат электроэнергии на время прогрева, приведенное к 1 м* оттаянного грунта, т. е.

N т_пи п

Э =—гт-квт-ч\м*,    (3)

^ ОТ

где N— мощность нагревателя в вт:

,W = F_HU    впг

или

вт/см².

здесь F„_tr — полезная площадь нагревателя в см^г;

Луд — удельная мощность нагревателя в вт/см²; "пр — время прогрева в ч;

К_от — объем оттаянного грунта в м³; п — количество нагревателей в шт.

Например, при оттаивании грунта траншеи с объемом мерзлоты 50 м³ было использовано 40 нагревателей мощностью 1 кет каждый. Время оттаивания 16 ч. Энергоемкость оттаивания составляет

-т    ¹    • ¹⁶ ' ⁴⁰    1Q    Ч

Э —-jo-**» 13 квт-Ч 'М³.

2.4.    Электронагреватели по удельной мощности можно разделить на три группы:

с удельной мощностью 0,3—1,5 втсм²;

с удельной мощностью 1,5—2,8 вт/см^г;

с удельной мощностью, превышающей 2,8 вт\сл^г.

С увеличением удельной мощности нагревателя скорость оттаивания увеличивается (при этом следует учитывать п. 2.7).

2.5.    Использование электронагревателей с небольшой удельной мощностью, равной 0,3—1,5 вт/см², приводит к замедлению процесса оттаивания через некоторый промежуток времени.

В период замедления процесса прогрев следует прекращать, так как увеличение времени прогрева приводит лишь к увеличению энергоемкости оттаивания. Максимальное время прогрева должно составлять 8—10 ч, что очень важно, так как отражает физический смысл процесса оттаивания. Наглядным подтверждением может служить применяемый в настоящее время режим прогрева электрическими иглами небольшой удельной мощности. Стремление увеличить радиус оттаивания приводит к продолжительному времени прогрева до 20—24 ч, что лишь увеличивает энергоемкость до 30—40 квт-ч'мпри максимальном радиусе оттаивания 0,25—0,3 м.

По технологическим параметрам такое оттаивание нельзя признать рациональным.

2.6.    Применение электронагревателей с удельной мощностью 1,5—2,8 вт\см^г дает оптимальное соотношение скорости и энергоемкости процесса.

Преимущество таких нагревателей состоит в значительном сокращении времени прогрева при максимальном радиусе оттаивания.

2.7. Увеличение удельной мощности нагревателя свыше 2,8 вт'см² сказывается не только на скорости

Рис. 2. Зависимость энергоемкости оттаиьлния. от удельной мощности нагревателя

оттаивания, но и на величине удельных затрат энергоемкости (см. и. 2.3). При этом энергоемкость значительно возрастает и применение таких нагревателей становится экономически невыгодным (рис. 2).

2.8. Электронагреватели с удельной мощностью 1,5—2,8 вт/см² при оттаивании устанавливают в шпуры свободно, т. е. поверхность нагревателя не касается стенок шпура. При этом существует оптимальное расстояние между стенкой шпура и нагревателем соответствующей удельной мощности, при котором скорость.

1

Цикличный метод оттаивания мерзлых грунтов трубчатыми электронагревателями. Стропиздат, М., 1967.