В процессе жизнедеятельности человечество использует огромное количество природных ресурсов, под которыми понимают все то, что может быть применено для достижения какой-либо цели [1]. Криогенные ресурсы являются частью их. Они происходят и развиваются под воздействием холода (температуры среды ниже 0 °С). Согласно предложенной В.Р. Алексеевым классификации [1] криогенные ресурсы подразделяются (рис. 1) на энергетические, материальные и информационные, которые, в свою очередь, состоят из ряда видов. Тепловые ресурсы, которые рассматриваются в работе, входят в категорию криоэнергетических ресурсов.
Проблеме использования криогенных ресурсов уделяется внимание во всем мире не только потому, что истощаются запасы углеводородов, но и в связи с современными экологическими требованиями. При сжигании углеводородов выделяются парниковые газы, способствующие потеплению климата, последствия которого могут оказаться катастрофическими для всех обитателей Земли.
Рис. 1. Схема классификации криогенных ресурсов [1]
Длительное время природный холод рассматривался почти исключительно как условие, затрудняющее жизнь людей. В настоящее время опубликовано достаточно большое количество работ по вопросам возникновения, развития, опыта и перспектив использования криогенных ресурсов, а также нового направления исследований – криософии [2, 3].
Природные тепловые ресурсы используются человечеством с давних времен. Устройства и технологии их использования для управления температурным режимом природных и технических систем продолжают разрабатываться [4, 5], а область применения – расширяться, в частности, в насыпях [6]. В настоящее время наиболее широко используется теплота, носителем которой являются атмосферный воздух и вода.
Воздух характеризуется низкими значениями плотности, удельной теплоемкости и коэффициента теплообмена с твердыми телами. Поэтому для получения тепла из воздуха необходимо пропускать через теплообменные устройства большое количество воздуха. Этот недостаток воздуха как источника тепла в значительной мере компенсируется его доступностью.
Вода является уникальным веществом. В отличие от других известных жидкостей, плотность которых при понижении температуры монотонно увеличивается, плотность воды достигает максимума при температуре 4 °С и при дальнейшем понижении температуры уменьшается. Когда плотность воды в верхних слоях больше, чем в нижних, происходит перемешивание этих слоев. При нагревании и охлаждении изменяется кинетическая энергия и температура воды, а в процессе перехода ее из твердого состояния в жидкое и обратно изменяется потенциальная энергия с сохранением постоянной температуры, равной для пресной воды 0 °С. Теплота фазового перехода воды из жидкого состояния в твердое и из твердого в жидкое превышает по величине удельную теплоту плавления (затвердевания) большинства веществ, в том числе парафина в 2,3 раза, стали – в 4 раза.
Цель исследования – показать, что физические свойства воздуха и воды позволяют разрабатывать эффективные установки и технологии для управления температурным режимом грунтов в основаниях наземных и вокруг подземных сооружений, а также для обогрева помещений в зимнее время.
Материалы и методы исследования
Проведенные исследования, основанные на известных положениях теплофизики, грунтоведения, механики грунтов и инженерного мерзлотоведения, и результаты, полученные автором или под его руководством, в виде описания установок и технологий представлены ниже.
1. Сезонно действующая воздушная охлаждающая установка (воздушный термосифон) [7, с. 140].
В настоящее время для локального охлаждения и замораживания грунтов основания зданий и сооружений применяют жидкостные и парожидкостные термосифоны. Воздушные термосифоны (ВТ) из-за низкой надежности не нашли применения (рис. 2).
Рис. 2. Воздушный термосифон известной (а) и усовершенствованной (б) конструкции [7, с. 141]: 1 – центральная труба; 2 – корпус; 3 – вытяжная труба
В ВТ применявшейся конструкции (рис. 2, а) в летнее время под действием ветра у верхнего конца выступающей центральной трубы (1) происходит разрежение воздуха и теплый влажный воздух всасывается в узкий межтрубный канал. Здесь происходит конденсация влаги, которая, стекая вниз, намерзает на стенках труб термосифона в зоне мерзлых грунтов. Если намерзший в летнее время на стенках межтрубного канала слой льда полностью не испаряется в зимнее время, то происходит постепенное зарастание канала льдом и снижение охлаждающей способности термосифона. В термосифоне усовершенствованной новой конструкции (рис. 2, б) воздух поступает в центральную трубу в летнее время под действием ветра, а в зимнее время – в результате нагревания воздуха в межтрубном канале от теплового воздействия окружающих грунтов. Диаметр центральной трубы существенно больше поперечного размера межтрубного канала. Из условия равенства площадей поперечного сечения каналов нисходящего и восходящего потоков воздуха без учета толщины центральной трубы следует
(1)
При этом отношение поперечных размеров каналов с учетом (1) составит
, (2)
где b – поперечный размер межтрубного канала.
Образование льда в летнее время на стенке широкого канала термосифона усовершенствованной конструкции и более интенсивное его испарение в зимнее время под воздействием сухого нисходящего потока воздуха значительно снижает льдонакопление и потерю охлаждающей способности устройства.
2. Аккумулятор-охладитель жидкостей и газов [7, с. 151].
Подземный резервуар, созданный в массиве мерзлых грунтов размывом водой через скважину, не более чем на 90 % его объема заполняется водой (рис. 3), которая в зимнее время замораживается с помощью воздушных термосифонов 2, опущенных в резервуар через скважины в его кровле.
В летнее время охлаждение жидкостей и газов осуществляется в теплообменнике 6, представляющем сосуд с водяной рубашкой. Холодная вода из резервуара подается в теплообменник с помощью погружного насоса 8 по нагнетательному шлангу 7. Нагретая в теплообменнике вода возвращается в резервуар по сливному трубопроводу 7. Холодная вода из резервуара перетекает в центральный термосифон, в котором размещен погружной насос, через щель на корпусе термосифона. Перед пуском циркуляционной системы в резервуар наливают воду до уровня, обеспечивающего работу этой системы в течение теплого периода года. После окончания периода охлаждения вода откачивается из резервуара до уровня расположения щели и из термосифона полностью.
Устройство было испытано на летней ферме для охлаждения около 3000 л молока в сутки. Расход электрической энергии для работы погружного насоса в опытном охлаждающем устройстве был в 40 раз меньше суммарного расхода электроэнергии при машинном охлаждении.
Рис. 3. Аккумулятор-охладитель [7, с. 152]: а – режим замораживания воды; б – режим охлаждения; 1 – подземный резервуар; 2 – воздушные замораживающие устройства (ВЗУ); 3, 4 и 5 – наружная, центральная и вытяжная трубы ВЗУ; 6 – теплообменник; 7 – нагнетательная и сливная трубы водяной циркуляционной системы (ВЦС); 8 – погружной насос ВЦС
3. Система управления температурным режимом подземных сооружений в массиве мерзлых грунтов [8].
Подземные сооружения, построенные в массиве мерзлых грунтов, охлаждают для повышения их устойчивости или обеспечения необходимого температурного режима.
В подземное сооружение холодный воздух подают принудительным способом или за счет естественной тяги. Способ управления температурным режимом подземных сооружений путем аккумулирования холода атмосферного воздуха в мерзлых грунтах, непосредственно окружающих их, недостаточно эффективен из-за относительно малой площади контакта холодного воздуха и грунта, а также малого объема грунтового аккумулятора холода. Холод распространяется вглубь массива мерзлых грунтов, и необходимая температура в сооружении в летнее время не поддерживается.
В связи с этим разработана технология дополнительного аккумулирования холода атмосферного воздуха в массиве мерзлых грунтов кровли сооружения (рис. 3). Для этого в основании слоя сезонного оттаивания над сооружением укладывается ряд охлаждающих каналов воздушной системы конвективного действия. После начала работы охлаждающей системы холодная температурная волна от охлаждающих каналов распространяется вглубь массива и достигает уровня расположения сооружения, построенного на определенной глубине, к началу теплого периода года и продолжает поступать в течение времени, равного продолжительности сезонного функционирования воздушного охлаждающего устройства. Глубина заложения подземного сооружения определяется на основе второго закона Фурье, согласно которому в однородных грунтах температурные колебания происходят со сдвигом фаз, пропорциональным глубине
, (3)
где z – глубина; T – период колебаний температуры воздуха; C – объемная теплоемкость грунта; λ – коэффициент теплопроводности грунта. В формуле (3) τ время движения температурной волны в кровле сооружения задается.
Такая технология управления температурным режимом подземного сооружения более десяти лет действует в Федеральном криохранилище семян растений на 100 тыс. образцов, оборудованном в бывшей подземной лаборатории Института. При естественной температуре грунтов на глубине расположения хранилища минус 1,5 °С температура в хранилище в теплое время года не поднимается выше минус 6 °С. Впервые в мире в этом криохранилище необходимая температура создается за счет только естественного холода окружающих мерзлых грунтов и аккумулированного в них холода атмосферного воздуха. Кроме того, циркуляция холодного воздуха в охлаждающих устройствах осуществляется конвективным путем. Таким образом, управление температурным режимом криохранилища производится впервые в мире без затрат товарной энергии и без применения нагнетательных механизмов.
4. Отопление помещений теплотой фазового перехода воды [9].
В некоторых видах производственных помещений допустимыми являются высокие отрицательные температуры, близкие к 0 °С. Отопление и обогрев таких помещений может осуществляться теплотой, выделяемой при замерзании воды в металлических емкостях – водяных аккумуляторов тепла, установленных внутри помещения. В теплое время года лед в аккумуляторах тает под действием тепла солнечной радиации (зарядка аккумуляторов тепла). Количество воды в емкостях определяется суммарным количеством потерь тепла из помещения в течение всего холодного периода года и необходимым количеством остающейся в незамерзшем состоянии воды в аккумуляторах. Потери тепла зависят от климатических условий местности расположения помещения, его размеров, термического сопротивления ограждающих конструкций и технологических параметров объекта.
В суровых климатических условиях г. Якутска в течение пяти лет успешно проходит испытания опытный гараж, оборудованный водяными аккумуляторами тепла.
5. Снижение воздействия морозного пучения на свайные фундаменты.
Малонагруженные фундаменты в пучинистых грунтах подвержены, как известно, выталкивающему воздействию сил морозного пучения. Разработан способ снижения сил пучения на свайные фундаменты в условиях сезонного промерзания нагреванием промерзающих пучинистых грунтов вокруг сваи [10]. Способ заключается в замедлении промерзания пучинистого грунта в слое сезонного промерзания путем передачи тепла из массива талого грунта с помощью известных сезонно действующих охлаждающих устройств. Недостатками устройства являются применение способа только в области сезонного промерзания грунтов и уязвимость применяемого оборудования. Для замедления процесса промерзания грунтов в условиях как сезонного промерзания, так и сезонного оттаивания грунтов предложено нагревать грунты в зоне пучения теплотой фазового перехода воды. Для этого в верхней части полой сваи создается полость в пределах зоны пучения, ограниченная водонепроницаемой перегородкой. Полость заполняется водой. Выделяемая при замерзании воды в полости сваи теплота нагревает окружающие грунты и замедляет их промерзание. Вследствие миграции воды из незамерзшей части грунта околосвайного пространства к фронту промерзания снижается влажность и, следовательно, пучинистость грунта. Кроме того, до полного замерзания воды в полости температура на контакте поверхности сваи и замерзшей части грунта поддерживается на более высоком уровне, чем в окружающих грунтах, снижая силы смерзания.
Предложенный способ снижения воздействия морозного пучения на свайные фундаменты можно без эксплуатационных проблем применять как в условиях сезонного промерзания, так и в условиях сезонного оттаивания при строительстве малоэтажных зданий и надземных трубопроводов.
Показано, что воздух и вода как экологически безопасные природные энергетические ресурсы могут эффективно использоваться для управления температурным режимом различных природно-технических систем на обширной территории криолитозоны.
Заключение
1. Разработанные устройства и технологии, кроме способа воздействия морозного пучения на свайные фундаменты, прошли опытные и опытно-промышленные испытания, показавшие функциональность и эффективность их использования.
2. Охлаждающие воздушные и нагревательные водяные устройства отличаются простотой конструкции и надежностью функционирования.