Рекомендации по проектированию и применению в строительстве охлаждающих установок, работающих без энергетических затрат

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ I-    НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

А'. НИИОСП ОСНОВАНИЙ И ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ :    «мен Н.М. ГЕРСЕВАНОВА

ШИВИВШш Госстроя ссср

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПЮЕКТИРОВАНИЮ И ПРИМЕНЕНИЮ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ОХЛАЖДАЮЩИХ УСТАНОВОК. РАБОТАЮЩИХ

БЕЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАТРАТ

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИАУЧИО-НССИЕДОВАТЕЙНСЙИЙ институт ОСНОВАНИЙ И ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ ■Hill I.N. ГЕРСЕВАНОВА ГОССТРОЙ СССР

РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ

И ПРИМЕНЕНИЮ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

ОХЛАЖДАЮЩИХ УСТАНОВОК,

РАБОТАЮЩИХ

БЕЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАТРАТ

N0CHBA-198A

«внять только в межяхкатежьккх случаях.

2.4. Конструкцию охлаждающих установок рекомендуется разрабатывать с таким расчетом, чтобы исключить их сборку, испытанЖя, вакуумирование и зарядку теплоносителем в условиях строительной площадки, то есть обеспечить поставку установок с завода в полной эксплуатационной готовности.

Исключения составляют установки о раздельным размещением испарители м конденсатора при длине соединительной лиКки, не пофоляпцей транспортировку установок и погружение их в грунт в собранном виде.

2.6.    Охлаждающие установки, испарители которых предполагается погружать в скважины с неустойчивыми стенками, следует проектировав с учетом возможности зад а вливают их в грунт.

2.6.    Охлаждающие установки или их отдельные элементы должны иметь такелажные и транспортные приспособления.

Конденсаторы должны быть защищены кощухами многократного нс -пользования с целью исключения механического повреждения при трале -портировке, складировании и погружении в скважины.

Рекомендуется разрабатывать специальные контейнеры ш стекла -жи, обеспечиватере хоыпахтную укладку, удобную погрузку ж разгрузку , безопасную транспортировку ж складирование установок.

2.7.    Длинномерные испарители следует оборудовать кондукторами и захватами, исключающие! поломку труб при подъеме и погружении в скважину.

2.8.    Для изготовления испарителей используются стальные горяче

катаное трубы (ГОСТ 8732-70) диаметром 100-150 мм. Наиболее цвлесо -образно по технмко-экономическим показателям (холодо производи таль    -

кость, бурение, металлоемкость, технологичность, транспортировка,монтаж) применение труб с наружным диаметром 108 и 114 мм с толщиной сте-

9

нож 4 км.

Допускается изготовление дакиомеркых испарителей (более 8 и) из отдельных звеньев со стыковкой на сверке. При этом необходимо предусматривать усиление мест стыковки продольными сегментами иа труб того же или меньшего диаметра, косынками, профилированным прокатом.

С торцов испарители герметизируются стальными крынками, причем верхние кршкя изготавливаются из листовой стали толщиной не менее 5 ММ, а ыкхние выполняются конусными.

Для предохранения испарителей от коррозии следует предусматри -вать обмазку их наружной поверхности горячим битумом или выполнять другое анти коррозийное покрытие. Для частей испарителей, расположен -ных в слое сезонного оттаивания, оно должно быть усиленным, а в слу -чае необходимости рассчитано на воздействие агрессивных грунтовых вод.

2*9. Если испарители используются одновременно в качестве металлических свайных фундаментов (термосвай), то их диаметр и толщина стенки определяются передаваемой на них нагрузкой. Оголовки таких испарителей конструируются о учетом крепления на них конструктивных элементов здания или сооружения (например, рандбалок, опорных частей трубопроводов, опор линий электропередачи и т.д.). Испарители диаметром 100-120 мм могут быть вмонтированы в серийные железобетонные сваи,что уменьшает расход бетона и арматуры (рис. 4).

Стальные термосваи с целью компенсации сил пучения, действующих на них со стороны слоя сезонного промерзания, рекомендуется оребрять спиральной навивкой стального прутка диаметром 10-20 мм с магом 0,1 -0,3 м. Крепление прутка производится электросваркой со сплошным швом. Оребреиию подлежит только часть испарителя, расположенная ниже слоя сезонного промерзания.

2.10. В испарителях охлаждающих установок с раздельным размещением иоццспсатсров необходимо предусматривать устройства для р&вномер-

Ряо.4. Примеры термосвай:

а - с совмещенными испарителями и кондем -с второ и; б - с раздельным размещением мс -парителя ■ конденсатора; в - то же о келари тел ем, вмонтированным в железобетонную сваю; I - испаритель; 2 - конденсатор; 3 -железобетонная свая; 4 - опора НЭП, линии связи и др.; б - фланцевое соединение; б -соединительная линия (конденсато-паропро -вод); 7 - распределительное устройство

ного распределения теплоносителя по стенке испарителя.

Простейшее распределительное устройство (рмс.б-а) выполняется в виде трубки высотой 50-70 мм с кольцом в нижней части. Внутренний диаметр кольца дожжен соответствовать диаметру трубки, а наружный внутреннему диаметру испарителя. Ширина кольца долина составлять ГО-15 мм. Кольцо приваривается к нижнему концу трубки по всей окружности. По внешнему ранту кольца производится вертикальная или косая насечка глубиной 0,5. мм для пропуска жидкого теплоносителя. Пространство между трубкой распределителя и стенкой испарителя заполняется пористым материалом (например, асбестовым шнуром) слоем толщиной 40-60 мм. Для более равномерного распределения конденсата по стенке испарителя рекомендуется устанавливать два и более распределителей с таким расче -

II

Рис.5. Схемы распределительных устройств:

а - с пористыми вкладышами; б - с лерфора -Цией верхнего торца испарителя; в - пример развертки перфорированной поверхности для испарителя диаметром 114 мм; I - испари -тень; 2 - соединительный патрубок; 3 - кольцо с трубкой; 4 - пористый материал; 5 -отверстия насечки; б - цилиндрический о голо -вок; 7 - отверстия перфорации; 8 - стекло -ткань

том, чтобы при переполнении верхних распределителей обеспечивался слив конденсата из них в нижние.

Другим вариантом распределительного устройства является перфо -риромние верхнего торца испарителя отверстиями диаметром 1-2 мм (рис. 5-6). Отверстия располагается рядами, расстояние мелду которыми сос -тявляет 4-6 мм. Количество рядов в зависимости от диаметра испарителя принимается равным 8-14. Число отверстий рекомендуется увеличивать при переходе от нижних рядов к верхним (рис.б-в). С наружной стороны перфорированная поверхность подрывается 5-6 слоями стеклоткани. Накопителем жидкого теплоносителя служит цилиндрический оголовннк, причем завор между перфорированной поверхностью и стенкой оголовника должен составлять IO-I5 мм.

12

2.11. Для глубинного (более 16 и) замораживания грунтов Испарителя сДеду-ет проектировать иэ двух и более сек -ций. Джина секций не догкНа превышать 16 ы (рис.6). Работа каждой секции обеспечивается собственным коцденсАтороы.Подача жидкого теплоносителя из конденса -торов в секции производится по внутрен -ним конденсате про водам диаметром 15-30ш, для изготовления которых допускается применять как стальные бесшовные (ГОСТ 8732 - 70), так и водогаэопроводные (Г0СТ3262 -75) трубы. Конденсат подается в распределительные устройства, устанавливаемые в верхних частях секций.

Допускается конотруирова -ние конденсатора верхней секция совмещенным с испарителем, если это позволяет расположение конструктивных элементов основного со-ружения.

2.12. При конструировании конденсаторов необходимо стремиться к максимальному развитию их поверхности. Соотношение площадей ис -парителя ( Fu ) и конденсатора ( F* ) следует принимать от I до (Х6.

2.13. Развитие рабочей поверхности конденсаторов достигается их оребреняем и применением многотрубных систем (ряс.2, схемы 2-4).

Вертикальное оребрение является самым простым в технологическом отношения, но приводит к неравномерному теплообмену при обдувании

13

(юдоисатора воздухом. Выполняется такое оребрение из стальных полос ШНлшоЯ 0,25-0,5 диаметра трубы конденсатора (рис. 2, схема 2). Его сумо пение целесообразно в районах сс средней скоростью ветра в активный период не болео 4 ц/о.

Горизонтальное оребрение несколько сложнее в изготовлении, но иоеспечивает более равномерный теплосъем по окружности конденсатора. Выполняется око из стальных пластин, шириной 0,4-0,6 диаметра кондсм-еатора (рис.2, схема 3).

'"олщина полос и пластин принимается равной толщине стенки кондака тора. Полосы и пластины приваривается к конденсатору сплошным Оеом do всей длине.

Три расчете поверхности конденсатора коэффициент эффективности оробрения в зависимости от ширины ребра принимается равным 0,6-0,8.

Наиболее эффективным, но к самым сложным является развитие поверхности путем применения многотрубных систем. Конструктивные формы ююготрубмых конденсаторов могут быть самыми разнообразными. Для конденсаторов, совмещенных о испарителем, трубы могут располагаться вокруг объединяющей трубы, коаксиальной с испарителем (рис.2, схема 4). Ммоготрибнме выносные конденсаторы монтируются на коллекторах. При этом предпочтительнее вертикальное расположение труб. (рис.7). Нижние ыоллевФоры конденсаторов должны иметь уклон в сторону испарителей не менее 0,01.

2.14. Для изготовления многотрубных конденсаторов рекомендуется п^шмемять стальные бесшовные (ГОСТ 8732-70) иди водогазопроводные (ГОСТ 3202-75) оребренные трубы диаметром 32-57 мм. В качестве кол -лекторов применяются трубы диаметром не менее 50-100 мм.

Оребредше труб производится стальной, мягкой, ниакоуглеродис-то1 обравиоа лентой (ГОСТ 503-41), которая перед навивкой на трубы ро-Зуруоесл. Рекомендуется использовать серийные ребристые трубы, мпус-

14

УДК 624.139.е2

Рекомендации содержат положения по назначению, области применения, конструированию, устройству и эксплуатации автономных холодильных установок с легкокишплм теплоносителем, работающих за очет низких температур воздуха в зимний период. Приводятся рекомендации по предпостроечвоиу замораживанию грунтов в основании сооружений, яо их ааморажнванхю в процесое строительства, по восстановлению мерзлого состояния грунтов, по созданию противофильтрацнонных экранов и мерэ-лотных завес. Дана методика теплотехнических расчетов заморажжваяхя грунта.

Рекомендации предназначены дед проектных и строительных организаций, эаинмащихоя вопросами строительства в суровых кдиматнчео-кнх условиях.

Работа одобрена Воркутинской секцией Научно-технического совета СО НИИОСП и рекомендована к изданию.

Рекомендации составлены научн.сотр.Ю.А.Александровым под научным руководством д-ра техн.неук Л.Н,Хрусталева.

Замечания и предложения по содержанию рекомендаций направлять по адресу: I699II, Коми АССР, г. Воркута, ул. Яновского,!, СО НИИ ОСП.

© Ордена Трудового Красного Затеям научно-исследовательский институт оснований и подземных сооружений имени Н.И.Герсеванова Госотроя СССР, 1984.

содержаний:

Стр.

1.    Общие положения....................... 3

2.    Конструкция парожидкостных охлаждающих установок....... 7

3.    Характеристика теплоносителей и расчет их количеств*, для зарядки парожидкостных установок.................23

4.    Изготовление, монтаж, испытания и заправка охлаждающих установок .............................30

5.    Использование парожидкостных установок в строительстве.    ...    41

6.    Эксплуатация парожидкостных охлаждающих систем и основные по -

ложения по технике безопасности ............... 56

7.    Теплотехнические расчеты парожидкостных охлаждающих    установок    60

Литература..........................73

Приложение I. Технический паспорт парожидкостной охлаждающей установки (рекомендуемая форма)................74

Приложение 2. Журнал осмотра, профилактических и ремонтных работ парожидкостной охлаждающей установки (рекомендуемая    форм»).    .    74

Приложение 3. Коэффициент теплопроводности теплоизоляционных материалов (в сухом состоянии).................7о

Приложение 4. Значения интегрального логарифма (i (х)......76

Научно-исследовательский институт оснований и подземных сооружений имени Н.М.Геосеванова

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ И ПРИМЕНЕНИЮ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ОХЛАЖДАЮЩИХ УСТАНОВОК, РАБОТАЮРХ БЕЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАТРАТ

Отдел патентных исследований и научно-технической информации

Зав.отделом Б.И.Кулачкин Редактор Г.Н.Кузнецова

1-78235. Подл, и печать 17/УП-84 .Заказ * Slf Формят 60x90 I/I6 Бумага офсетная. Набор мааинописвый. Уч.-изд.л.3,36. Уел.kd.-ott.3,45 Тираж 500 зкз. Цена 30 коп.

DSU ВНИИИС Госстроя СССР I2I47I,Москва,Можайское воссе,25.

I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1.    Для ускорения внедрения в практику строительства последних достижений науки и техники и установления прямых овязай между научно-исследовательскими и проектными организациями Гооотро! СССР разрешил при разработке рабочих чертежей применять рекомендации головных институтов Госстроя СССР до включения их в нормативные документы. При этом соответствующая часть проекта, в которую вошли разработки научно-исследовательского института, долина быть выполнена о участием головного НИИ - автора работы.

1.2.    Настоящие Рекомендации разработаны в развитие положений СНиП IJ-I8-76 "Нормы проектирования. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах" /Х7 * "Рекомендаций по проектированию и устройству парожидкостных охлаждающих установок при строительстве в суровых клнматнчеокнх условиях*' /2£/.

1.3.    Рекомендации распространяются на проектирование _t строительство ж эксплуатацию сооружений, возводимых в условиях сурового климата с использованием искусственного замораживания талых или охлаждения мерзлых грунтов оснований парожидкостными охлаждающими установками.

1.4.    Искусственное замораживание (охлаждение) грунтов позволяет расширить область применения I принципа их использования в качестве ооноваяий сооружений Д/, повысить несущую способность и надежность оснований, упростить конструктивные решения и технологию нулевого цикла, а тапке во многих случаях сократить сроки, материалоемкость и стоимость строительства.

Наибольший технико-экономический эффект достигается 15» эвмораживании талых и охлаждении пластичномерзлых грунтов до температуры их твердомерзлого состояния.

3

1.5. Парозядкоствые автономные сеэоннодействухщие установки являйся холодильными устройствами, работающими эа очет низких температур атмосферного воздуха в зимнее время и не требующими энергетж-ческжх эвтрат в процессе эксплуатации.

1.6* Работа паражидкостной охлаждающей установки основана на конвекции легкокждяяей жидкости - теплоносителя - под влиянием естественной раэноотж температур охлаждаемого массива грунта и атмосферного воздуха (ржс.1). Жидкий теплоноситель 3, находящийся в нижней подземной части устройства (испарителю) I, испаряется и поднимается в гиде пара 5 в верхнюю надземную часть (конденсатор) 2, охлаждаемую апюоферныы воздухом. Отдавая тепло окружающему воздуху, теплоноситель конденсируется и стекает в виде пленки 4 по стенкам испарителя. Испаряющаяся пленка конденсата охлаждает окружающий грунт 6, а ее оставшаяся часть отекает на дно установки, где также испаряется. Фазовые превращения теплоносителя и его конвекция внутри установки происходят непрерывно в состоянии динамического равновесия жидкости и насыщенных паров (на линии насыщения).

Работает охлаждающая установка в такой период года, когда температура надземной конденсаторной части ниже температуры грунта, прилегающего к испарителю. В остальное время установка автоматически Прекращает работу, "задирается". Первый период называется активным, второй - пассивным.

1.7. Автономные ларажидхостнне охлаждающие установки нмаот следующие преимущества перед малинным амвачво-ресоолъннм замораживанием и замораживанием посредством принудительного вентилирования о квакни холодным воздухом: а) простота устройства, б) отсутствие энергозатрат при работе, в) невысокая стоимость, г) отсутствие постоянного обслуживающего персонала, а по сравнению с жидкостными и вовдушным автономными установками - значительно большая производитель-

ностъ.

1.8. Применение паражид костных установок целесообразно в районах со среднеаимнвй температурой атмосферного воздуха не вше - Ю°С

Рис Л. Принципиальная схема парожид костного

I - испарительная (подземная) часть; 2 - конденсаторная (надземная) часть; 3 - жидкий теплоноситель; 4 - пленка конденсата; б - Парообразный теплоноситель; б -замороженный грунт

я продолжительностью 'безморозного периода не более ISO Дней.

1.9. ПАрожидкостные установки могут быть использованы в стро • ительстве по следующему назначению:

а)    для предпостроечного замораживания грунтов оснований зданий и сооружений;

б)    для замораживания грунтов основания в процессе строительства и эксплуатации;

в)    для восстановления мерзлого состояния грунтов в основании зданий и сооружений, построенных по I принципу;

г)    для создания противофилътрационных завес;

д)    для создания тепловых завес.

IЛО. Парожидкостные установки могут применяться в строительстве как гражданских, таи и пропиленных объектов для:

1)    фундирования жилых и общественных зданий;

2)    фундирования промышленных зданий (цехи, склады, компрессорные станции и др.);

3)    устройства фундаментов линейных сооружений (линии элеггро -передачи, линий связи, трубопроводов и др.);

5

4)    создания мерзлого основания дорог, взлетно-посадочных полос и надземных резервуаров;

5)    обеспечения устойчивости шахтных стволов, нефте- и газодо -бывающих скважин и горных выработок;

6)    устройства протшвофилырационных льдогрунтовых ядер в теле дамб и плотин, а также льдогрунтовых стенок при проходже котлованов, колодцев и траншей;

7)    образования мерзлотных завес с целью защиты мерзлого состояния грунтов оснований сооружений от воздействия близ расположенных теплоеыделяпцнх объектов.

1.11.    Охлаждающие установки одновременно с исполнением их прямых функций могут быть использованы как конструктивные элементы сооружений, например, в качестве свайных фундаментов, несущих частей ограждений, опор линий электропередачи и т.д.

1.12.    В зависимости от назначения парожидкостные установки могут быть однократного действия (восстановление мерзлого состояния грунтов в основании деформирующихся зданий и сооружений,создание льдогрунтовых завес при рытье котлованов, коло*'" - ~.д.) и постоянно -действующими (замораживание и поддержание мерзлого состояния грунтов в основании зданий и сооружений, находящихся в окружении талых массивов, создание противофвльтрационных ядер в теле дамб ■ плотин),

1.13.    Выбор конструкция парожидкостных охлаждающих установок ■ всей замораживающей системы в целом определяется конструктивными особенностями зданий и сооружений, технологическими особенностями их строительства и эксплуатации ■ производится в соответствии с ре ко -мевдацнями глав 2 и 5.

Параметры теплового взаимодействия в системе атмосферный воэдух--тепяоноситель-ррунт определяются теплотехническими расчетами в соответствии с рекомендациями главы 7.

6

2. КОНСТРУЮ(ИИ ПАРОНИДКОСТНЫХ 01ДАВДШЩ УСТАНОВОК

2.1.    Основными конструктивными элементами парожидкостных ох -лааданцих установок являются испаритель (эаморахжващ&я колонка), конденсатор, соединительные дики, устройство для равномерного распре -деления конденсата по стенке испарителя, и аапормо-зарядная армату -ра.

2.2.    Испаритель является грунтовым теплообменником, в котором происходит испарение жидкого теплоносителя. Он представляет собой трубу с заглушенным нижним торцом, погруженную в грунт на глубину, определяемую глубиной замораживаемого массива.

Конденсатор является воздушным теплообменником, в котором про -исходит переход теплоносителя из парообразного в жидкое состояние.

Конструктивно испаритель м конденсатор могут быть связаны друг с другом различными способами. В простейшем варианте они представляют одну трубу с оребрением надземной части или без него, либо две трубы различного диаметра, расположенные хо&ксиально относительно друг друга (рис.2). Во многих случаях (при замораживании грунтов под зданиями без вентилируемых подполий или при их малой высоте, под резервуарами, под опорами ЛЭП и трубопроводов и т.д.) конденсатор должен располагаться на некотором расстояния от испарителя и быть связан с ним соединительными линиями (рис.З).

Соединительные линии представляют собой трубопроводы для пропуска пара от испарителя к конденсатору и жидкого теплоносителя в обратном направлении. В зависимости от конструкции конденоатора паро -провод н ковденсатопровод могут быть раздельными или совмещены в од -кой трубе.

Запорно-зарядная арматура предназначена для пневматических испытаний замораживающей системы или отдельных ее узлов, вакуумирования, зарядки системы теплоносителем и манометрического контроля в процессе

7

Рио.2. Схемы простейшие ожжаядшщх устройств:

I - бее оребрения конденсатора; 2-е вертикальным полосовым оребрением; 3-е горизонтальным пластинчатым оребрением; 4 -с много трубным конденсатором

эксплуатации.

2.3. Соединения отдельных элементов охлаждающих установок должны выполняться еле гг -росварными аа исключением креплении еарядно -напорной арматуры и защитных колпаков для нее. Фланцевые и резьбовые соединения следует при-

Рис.З. Схема охлаждающих устройств о раадежь-

кьш раз и оцени ем испарителей и конденсаторов:

I - железобетонная свал с ваморахиващей колонкой; 2 - блок конденсаторов; 3 - соедини -тельные химии (паре-жондевсатопроводы)

6