книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 2 2 2 - объектов в условиях Севера

где Wc и W*' - суммарная влажность и количество неза­

мерзшей воды в сезоннопротаивающем слое при температуре перехода его в твердомерзлое состояние, доли единицы; te й

Хв - средняя температура воздуха за период положительных температур, °С и продолжительность этого периода, час:

Хи - коэффициент теплопроводности материала, ккап/м-ч-град;

Ст объемная теплоемкость грунта в талом состоянии*

ккал/м3-град; Хт- коэффициент теплопроводности грунта в та­ лом состоянии, ккал/м-ч-град; 8 и толщина теплоизоляции. полностью используется сезонное протаивание грунта под ней, м.

Охлаждение оснований может быть осуществлено с при­ менением искусственных открытых и замкнутых систем.

13.3. Охлаждение грунтов оснований продувкой воз­ духа в скважинах

В районах распространения вечномёрзлых грунтов одним из эффективных способов охлаждения пластично-мёрзлых грун­ тов и замораживания талых является нагнетание холодного воз­ духа в зимний период с помощью вентиляторов в пробуренные скважины или в полые сваи. Схемы приведены на рис. 13.1 а, б.

На практике к вентилятору посредством трубчатых коллек­ торов и гибких рукавов подсоединяются несколько скважин или полых свай. Для нагнетания воздуха желательно макси­

мально использовать «рабочие» скважины, т.е. скважины, в ко­ торые устанавливаются сваи. При этом нет необходимости, что­ бы зоны охлаждения смыкались между собой. В настоящее вре­ мя темпы строительства настолько высоки, что в течение одного зимнего периода можно успеть: пробурить скважины, устано­ вить полые сваи, охладить или заморозить окружающий грунт, выполнить перекрытие над проветриваемым подпольем, закон­ сервировать накопленный холод.

Рис. 13.1. Конструкции воздушных СОУ. а) естественнодействующее; б) принудительное;

в) конвективное проточное.

Наиболее рациональные рабочие параметры воздушного охлаждения и замораживания грунтов оснований:

диаметры скважин для нагнетания холодного воздуха от 0,2 до 0.4м;

рабочие скорости воздуха от 2 до 5 м/сек; глубина скважины 8-Юм;

нагнетание холодного воздуха рекомендуется производить при температуре не выше -Ю ...-12°С, так как при более высокой температуре в скважине или стенках полых свай образуется снежная пробка, сконденсировавшейся влаги.

При охлаждении продувкой холодного воздуха через тру­

?!3,Методы температурной стабилизации грунтов оснований зданий &сооружений________________________________

Рис. 13.2. Воздушное охлаждение грунтов.

а- в буровых скважинах; б ~ в полых сваях.

Ввоздушных СОУ (воздушные колонки) [5, 53] рабочим веществом является непосредственно атмосферный воздух. Воз­ душная колонка представляет собой заглубленное в грунт теп­ лообменное устройство типа труба в трубе, соединяющееся с атмосферой (рис. 13.3).

Циркуляция воздуха по трубам может осуществляться как вынужденно, с помощью вентилятора, так и за счет естествен­ ной конвекции, возникающей в результате разности температур

йдавлений столбов воздуха во внутренней трубе и кольцевом канале (рис.13.3, б). В колонках с вынужденной циркуляцией

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 2 2 6 - объектов в условиях Севера

вентиляторы включают и выключают принудительно. Колонки с естественной циркуляцией включаются и выключаются автомат

тически: циркуляция возможна лишь при условии tap > tg, где

t - температура грунта вблизи колонки; tg - температура на­

ружного воздуха. Практическое применение в настоящее время получили в основном воздушные колонки с вынужденной цир­ куляцией.

РисЛЗ.З. Схемы воздушных колонок,

а- с вынужденной циркуляцией; б - с естественной циркуляцией;

в- схема движения теплоносителя.

При подаче воздуха нагнетанием его температуры (дЛ сле­

дует принимать на 2°С выше температуры атмосферного возду­ ха. Коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формуле

3 со0’8

а =4,67*1(Г3—т у , (13.12)

d в'

где СО - скорость воздуха в наружной щели, м/ч.

При охлаждении грунта через скважины или полые сваи смыкание соседних зон охлаждения не обязательно. Необходи-

где К - коэффициент, принимаемый равным дл суглинков

2,5, супесей - 2, песков - 1,5; t3 и te - среднезимние и средне-

летние температуры воздуха, °С; L - расстояние между скважи­ нами, м; п количество скважин в поперечном разрезе;

0, - зимнее повышение температуры в подполье, принимаемое

при его высоте hn = 0,8 м и при модуле вентилирования

М =0,0005 равным 10-12°С; то же при hn = 1 м и М =0,0025

равным 6-5-8 °С; при съемном на зиму цоколе принимается 0] = 2-f-3 °С, а для отапливаемых зданий 0, = 1-5-2 °С; 6 2 - лет­

нее понижение температуры в подполье, принимаемое при

% = 0,8 м и при отсутствии санитарно-технических сетей рав­

ным от -2 до -3 °С, то же при hn - 1,2 м и при устройстве этих

сетей в подполье от -0,5 до -1 °С.

Наиболее рациональны рабочие скорости воздуха от 1 до 5 м/сек, а диаметры скважин от 0,2 до 0,4 м. При дальнейшем уве­ личении этих параметров интенсивность охлаждения меняется незначительно.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых

-2 2 8 - объектов в условиях Севера

13.4.Искусственное охлаждение и замораживание грунтов

Применение искусственного охлаждения грунта требует значительных эксплуатационных и капитальных вложений, од­ нако, позволяет производить охлаждение грунта при положи­ тельных температурах воздуха, что приводит к значительному сокращению времени охлаждения (3-6 месяцев) и обеспечению надежности сохранения мерзлотного состояния грунта.

В настоящее время известны следующие системы искусст­ венного охлаждения грунта (рис. 13.4, а-д):

а) охлаждение углекислотой; б) охлаждение жидким азотом; в) аэрационное охлаждение;

г) охлаждение при помощи газовой холодильной машины; д) рассольное охлаждение; е) воздушная система охлаждения;

ж) двухконтурная система охлаждения; и) одноконтурная система охлаждения.

Охлаждение углекислотой осуществляется путем подачи твердой (рис. 13.4, а) или дросселирование жидкой (рис. 13.4, б) углекислоты в охлаждающие элементы I до температуры минус 55°С.

Охлаждение жидким азотом производится путем дроссели­ рования жидкого N2 из емкости 4 через дроссельный вентиль 3 в охлаждаемые элементы I (рис. 13.4, б) до температуры минус 190 °С, осуществляя быстрое охлаждение грунта. Применение данного способа ограничивается себестоимостью и значитель­ ными транспортными затратами.

Аэрационное охлаждение (рис. 13.4, в) осуществляется при помощи холодного воздуха, подаваемого в грунт от газовой хо­ лодильной машины. Использование этого способа требует про­ ведения предварительной осушки территории и ограничивается газопроницаемостью грунтов.

~7ТГ

4

56

хp fe b -|^ ~ j

м

д)

Рис. 13.4. Схемы искусственного охлаждения и замораживания грунта.

а- углекислотой; б - жидким азотом; в- аэрационное; г- газовой холодильной машиной; д - рассольная

1- элемент охлаждения грунта; 2- дросселирующий вентиль;

3 - емкость с хладагентом; 4 - газовая холодильная;

5 - насос; 6 - холодильная машина.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 2 3 0 - объектов в условиях Севера

Охлаждение грунта газовой холодильной машиной произ­ водится путем подачи холодного воздуха в охлаждающие эле­ менты 1 (рис. 13.4, г). Способ экономически выгоден при ис­ пользовании термоколонок диаметром 219 или 325 мм и темпе­ ратуре воздуха ниже минус 80°С. Однако охлаждение при таких температурах воздуха требует высокоэффективной изоляции воздуховодов и должно быть экономически обосновано.

Рассольное охлаждение грунта (рис. 13.4, д) осуществляет­ ся путем циркуляции хладоноситеяя (рассола) между испарите­ лем холодильной машины 6 и охлаждающими элементами 1 по­ средством насоса 5. Недостатком рассольного охлаждения явля­ ется повышенная металлоемкость системы (испаритель, рас­ сольный бак) и дополнительные потери энергии на циркуляцию рассола и привод компрессора вследствие разности температур в испарителе.

Насосная система охлаждения (см. рис. 13.5, а) производит замораживание грунта путем циркуляции жидкого хладагента насосом 2 между циркуляционным ресивером 3 и элементами охлаждения 1. Способ не нашел широкого распространения, т.к. требует установки циркуляционного ресивера, дополнительных затрат энергии на привод насоса, большого количества хлада­ гента и проведения мероприятий по возврату масла в компрес­ сор.

Охлаждение грунта двухконтурной системой (см. рис. Ш , б) осуществляется за счет естественной циркуляции хладагента во вторичном контуре между охлаждающими элементами 1 и кон­ денсатором-испарителем 5. К недостаткам способа следует от­ нести наличие конденсатора-испарителя и дополнительных за­ трат электроэнергии на привод компрессора из-за разности тем­ ператур в конденсаторе-испарителе (см. рис. 13.5, в).

Охлаждение грунта одноконтурной системой осуществля­ ется путем подачи рабочего вещества холодильной машины не­ посредственно в охлаждающие элементы I. Способ экономиче­ ски эффективен, т.к. не требует промежуточного теплообменни­ ка, теплоносителя, насосов, однако, в состав холодильной ма­ шины должен входить компрессор без смазки.