Устройство для аккумуляции холода в основании сооружений

 

Изобретение относится к области строительства, а именно к устройствам для охлаждения и замораживания грунта, используемого в качестве основания зданий и сооружений, возводимых в районах вечной мерзлоты. Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности работы устройства в течение всего года, исключении отепляющего воздействия устройства на замороженный грунт в теплый период года и повышении безопасности при его эксплуатации. Устройство для аккумуляции холода в основании сооружений включает частично размещенный в грунте и заполненный хладоагентом герметичный трубчатый корпус, подземная часть которого является испарителем, а надземная - конденсатором, снабженным элементом термического воздействия. Трубчатый корпус снабжен снаружи по меньшей мере одной продольной полкой, а элемент термического воздействия выполнен в виде термоэлектрического модуля и по меньшей мере один из них установлен на продольной полке конденсатора. 3 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области строительства и касается конструктивного выполнения устройства для охлаждения и замораживания грунта, используемого в качестве основания зданий и сооружений, возводимых в районах вечной мерзлоты.

Известно устройство для аккумуляции холода в грунте, представляющее собой частично заглубленный в грунт и заполненный двухфазным хладоагентом корпус, надземная часть которого является конденсатором, а подземная - испарителем (пат. США N 3217791, 165-45, 1965).

Известно также устройство для замораживания грунта, включающее заполненные хладоагентом наружную трубу с днищем и размещенную в ней с зазором внутреннюю трубу с открытыми торцами, подводящий и отводящий патрубки, соединенные соответственно с внутренней и наружной трубами (пат. США N 3220470, 165-40, 1965 ).

Известно также устройство для охлаждения и замораживания грунта, выполненное в виде частично размещенного в грунте и заполненного хладоагентом герметичного корпуса, надземная часть которого является конденсатором, а подземная - испарителем (Гапеев С. И. Укрепление мерзлых оснований охлаждением. Л., Стройиздат, 1969, 18-20).

Известно также устройство для аккумуляции холода в основании сооружений, содержащее трубу, закрытую с двух сторон, заполненную рабочей средой, осуществляющей в зимнее время теплообмен между наружным воздухом и грунтом (авт. свид. СССР N 483491; E 02 D 3/12, 02.11.71).

Известно также устройство для аккумуляции холода в основании сооружений, содержащее частично погруженную в грунт обсадную трубу, заполненную хладоагентом (авт. свид. СССР N 495412; E 02 D 3/12, 09.10.72).

Известно также устройство для аккумуляции холода в основании сооружений, включающее обсадную трубу, состоящую из испарителя, погруженного в грунт, и конденсатора, расположенного выше поверхности грунта (авт. свид. СССР N 553328; E 02 D 3/12, 05.04.77).

Известно также устройство для замораживания грунта, включающее заглубленный в грунт корпус и коаксиально установленную в нем трубу для хладоагента (патент ФРГ N 2156420, E 02 D 3/12, 1977).

В известных устройствах в качестве хладоагента используют легковоспламеняющиеся жидкости или газ, преимущественно керосин или сжиженный пропан. Работа таких устройств основана на принципе естественной конвекции хладоагента, в результате этого осуществляется теплообмен между наружным воздухом и грунтом основания.

Недостаток данных устройств заключается в их невысокой эффективности по причине низкого конвективного внутреннего теплопереноса и сравнительно небольшого периода работы только при низких отрицательных температурах атмосферного воздуха. При положительных температурах в летний период известные устройства не работают и оказывают отепляющее воздействие на грунт, обусловленное летней циркуляцией хладоагента, что приводит к оттаиванию грунта вокруг устройства и резкому снижению его несущей способности.

Кроме того, использование в известных устройствах легковоспламеняющихся хладоагентов создает высокую взрыво- и пожароопасность и требует строгой герметичности корпуса устройств, поскольку при протекании хладоагента известные устройства могут быть неработоспособными.

Известны также устройства для аккумуляции холода в основании сооружений, конструктивное исполнение которых направлено на решение проблемы круглогодичной работы указанных устройств путем принудительной циркуляции хладоагента, дополнительного охлаждения хладоагента, создания сложных изолирующих конденсатор устройств и т.п. (авт. свид. СССР N 547494, E 02 D 3312, 1968 г. ; авт. свид. СССР N 630337, E 02 D 3/12, 30.10.78 г.; авт. свид. СССР N 643587, E 02 D 3/12, 25.01.79 г.; авт. свид. СССР N 682597, E 02 D 3/12, E 02 D 19/14, 30.08.79 г.; авт. свид. СССР N 687176, E 02 D 3/12, 25.09.79 г.; авт. свид. СССР N 720101, E 02 D 3/12, E 02 D 19/34, 05.03.80 г.; авт. свид. СССР N 846639, E 02 D 3/12, 15.07.81 г.; авт. свид, СССР N 1033635, E 02 D 3/115. 07.08.83 г.; авт. свид. СССР N 1100385, E 02 D 3/115, 30.06.84 г.).

Недостатки указанных устройств состоят в том, что, несмотря на сложность их исполнения и значительную материало- и энергоемкость, они незначительно ослабляют летнюю циркуляцию хладоагента и его отепляющее воздействие на замороженный грунт в теплый период года.

Известно также устройство для замораживания грунта основания сооружения, включающее уложенный между основанием и сооружением теплоизоляционный слой и размещенную в нем сеть из попарно спаянных по концам проводов из двух разных металлов, причем спаи одних концов проводов расположены у основания, а спаи других концов - над теплоизоляционным слоем, а каждый пучок проводов подключен к источнику постоянного тока. Провода предложено выполнять из меди и висмута (авт.свид. СССР N 588287, E 02 D 3/12, 15.01.78).

Недостатки данного устройства состоят в сложности и высокой себестоимости его изготовления.

Наиболее близким предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков является устройство для аккумулирования холода в основании сооружений, включающее частично размещенный в грунте и заполненный хладоагентом трубчатый корпус, подземная часть которого является испарителем, а надземная - конденсатором, при этом в верхний части конденсатора установлен элемент термического воздействия, подключенный к блоку электропитания. В качестве элемента термического воздействия предложено использовать ТЭН или какой-либо другой. Известное устройство работает по принципу принудительной вентиляции наружного воздуха или по принципу принудительной циркуляции жидкого хладоагента, например керосина (авт. свид. СССР N 815122, E 02 D 3/12, 23.03.81).

Недостатки устройства - прототипа состоят в его низкой эффективности, так как оно работает только в зимний период при низких отрицательных температурах атмосферного воздуха, и высокой взрыво- и пожароопасности по причине установки элемента термического воздействия (ТЭНа) в атмосфере паров керосина.

В задачу создания изобретения входила разработка устройства для аккумуляции холода в основании сооружений, позволяющего стабилизировать процесс охлаждения и замораживания грунта в течение всего года и повысить безопасность его эксплуатации.

Технический результат от использования предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности работы устройства в течение всего года, исключении отепляющего воздействия устройства на замороженный грунт в теплый период года и повышении безопасности при его эксплуатации. Указанный технический результат достигнут созданием устройства для аккумуляции холода в основании сооружений, охарактеризованного следующей совокупностью признаков: 1) устройство для аккумуляции холода в основании сооружений; 2) трубчатый корпус; 3) трубчатый корпус выполнен герметичным; 4) трубчатый корпус снабжен снаружи по меньшей мере одной продольной полкой; 5) трубчатый корпус частично размещен в грунте; 6) трубчатый корпус заполнен частично хладоагентом; 7) подземная часть корпуса является испарителем; 8) надземная часть корпуса является конденсатором; 9) элемент термического воздействия;
10) элемент термического воздействия выполнен в виде термоэлектрического модуля;
11) термоэлектрический модуль выполнен в виде керамической пластины с пазами, в которые вставлены стержни, спрессованные из металлических частиц, покрытых пленкой p- и n-полупроводниковых материалов на основе поликристаллического теллурида висмута и образующих с помощью керамических печатных плат с нанесенными медными соединениями последовательную батарею элементов Пельтье;
12) по меньшей мере, один термоэлектрический модуль установлен на холодной стороне по меньшей мере одной продольной полки конденсатора;
13) радиатор;
14) радиатор установлен на теплой стороне термоэлектрического модуля;
15) вентилятор для обдува радиатора;
16) вентилятор установлен на радиаторе;
17) термоэлектрический модуль и вентилятор подключены к блоку электропитания.

Предлагаемое изобретение включает совокупность существенных признаков, обеспечивающих получение технического результата во всех случаях, на которые испрашивается правовая охрана:
1) устройство для аккумуляции холода в основании сооружений;
2) трубчатый корпус;
3) трубчатый корпус выполнен герметичным;
4) трубчатый корпус снабжен снаружи по меньшей мере одной продольной полкой;
5) трубчатый корпус частично размещен в грунте;
6) трубчатый корпус заполнен частично хладоагентом;
7) подземная часть корпуса является испарителем;
8) надземная часть корпуса является конденсатором;
9) термоэлектрический модуль;
10) по меньшей мере один термоэлектрический модуль установлен на холодной стороне по меньшей мере одной продольной полки конденсатора.

Предлагаемое изобретение характеризуется также другими признаками, выражающими конкретные формы его выполнения, или особые условия использования:
1) термоэлектрический модуль выполнен в виде керамической пластины с пазами, в которые вставлены стержни, спрессованные из металлических частиц, покрытых пленкой p- и n-полупроводниковых материалов на основе поликристаллического теллурида висмута и образующих с помощью керамических печатных плат с нанесенными медными соединителями последовательную батарею элементов Пельтье;
2) радиатор;
3) радиатор установлен на теплой стороне термоэлектрического модуля;
4) вентилятор для обдува радиатора;
5) вентилятор установлен на радиаторе.

Признаками изобретения, характеризующими предлагаемое устройство и совпадающими с признаками прототипа, в том числе родовое понятие, отражающее назначение, являются:
1) устройство для аккумуляции холода в основании сооружений;
2) трубчатый корпус;
3) трубчатый корпус выполнен герметичным;
4) трубчатый корпус частично размещен в грунте;
5) трубчатый корпус заполнен частично хладагентом;
6) подземная часть корпуса является испарителем;
7) надземная часть корпуса является конденсатором;
8) конденсатор снабжен элементом термического воздействия.

По сравнению с устройством-прототипом существенными отличительными признаками изобретения являются:
1) трубчатый корпус снабжен снаружи по меньшей мере одной продольной полкой;
2) элемент термического воздействия выполнен в виде термоэлектрического модуля;
3) по меньшей мере один термоэлектрический модуль установлен на холодной стороне по меньшей мере одной продольной полки конденсатора.

Предлагаемое изобретение характеризуется также другими отличительными признаками, выражающими конкретные формы его выполнения или особые условия использования:
1) термоэлектрический модуль выполнен в виде керамической пластины с пазами, в которые вставлены стержни, спрессованные из металлических частиц, покрытых пленкой p- и n-полупроводниковых материалов на основе поликристаллического теллурида висмута и образующих с помощью керамических печатных плат с нанесенными медными соединителями последовательную батарею элементов Пельтье;
2) на теплой стороне термоэлектрического модуля установлен радиатор;
3) радиатор снабжен вентилятором для его обдува.

В отличие от прототипа выполнение в предлагаемом устройстве элемента термического воздействия в виде термоэлектрического модуля, принцип работы которого основан на эффекте Пельтье, и размещение его на по крайней мере одной продольной полке конденсатора позволило решить проблему по обеспечению круглогодичной работы предлагаемого устройства и обеспечило повышение эффективности аккумуляции холода в основании сооружений.

Благодаря расположению термоэлектрического модуля на наружной поверхности конденсатора исключена возможность его контакта с взрыво- и пожароопасными хладоагентами, что повышает безопасность эксплуатации предлагаемого устройства.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах предлагаемого изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в предлагаемом устройстве, изложенных в независимом пункте формулы изобретения.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию патентоспособности "новизна".

Для проверки соответствия предлагаемого устройства условию патентоспособности "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных решений по индексам МПК⁶ F 25 B 21/00 и F 25 B 21/02 для выявления признаков, включенных в отличительную часть независимого пункта формулы изобретения. В результате поиска не выявлены технические решения по использованию термоэлектрического модуля в конструкции "элемент-стенка конденсатора" для осуществления процесса конденсации хладоагента в устройствах для аккумулирования холода в основании сооружений.

Результаты поиска показали также, что предлагаемое устройство не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, изложенного в соответствующем разделе описания (не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками предлагаемого изобретения), а также не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками предлагаемого изобретения преобразований для достижения технического результата.

Следовательно, предлагаемое устройство соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Сущность предлагаемого изобретения пояснена на чертежах, где на:
фиг. 1 представлен общий вид устройства;
фиг. 2 сечение по A-A устройства на фиг. 1;
фиг. 3 термоэлектрический модуль в разрезе;
фиг. 4 термоэлектрический модуль с радиатором на фиг. 1, вид сбоку;
фиг. 5 сечение по B-B термоэлектрического модуля с радиатором на фиг. 4.

Устройство выполнено в виде герметичного трубчатого корпуса, снабженного снаружи по меньшей мере одной продольной полкой 1, трубчатый корпус частично заполненного хладоагентом. Трубчатый корпус размещен частично в грунте. Подземная часть трубчатого корпуса является испарителем 2, а надземная - конденсатором 3. Для работы устройства в зимнее время как сезонноохлаждающего устройства наружная поверхность конденсатора 3 может быть частично снабжена ребрами 4. На продольной полке 1 конденсатора 3 размещен, по меньшей мере, один термоэлектрический модуль 5. Основой модуля 5 служит керамическая пластина 6 с высокой теплопроводностью, механической прочностью и электрическим сопротивлением. В пластине 6 выполнены пазы 7, в которые вставлены стержни 8, спрессованные из металлических частиц, покрытых пленкой p- и n-полупроводниковых материалов на основе теллурида висмута и образующих с помощью керамических печатных плат с нанесенными медными соединителями (на чертеже не изображены) последовательную батарею элементов Пельтье. Количество устанавливаемых на продольной полке 1 конденсатора 3 модулей 5 зависит от необходимой развиваемой мощности устройства для аккумуляции холода. Для отвода тепла на теплой стороне каждого модуля 5 установлен радиатор 9. На радиаторе 9 установлен вентилятор 10, служащий для продувания воздушной среды через радиатор 9.

Модуль 5 и вентилятор 10 подключены к блоку 11 электропитания. Питание блока 11 осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Выходные данные блока 10: ток 3 А, напряжение 12 В, колебание от стационарного режима ± 5%.

Устройство работает следующим образом.

Трубчатый корпус, частично заполненный хладоагентом, погружают нижней частью-испарителем 2 в грунт, температуру которого необходимо понизить. В качестве хладоагента можно использовать низкокипящую жидкость: керосин, аммиак, фреон, пропан и т. п. Хладоагент, отбирая из окружающего массива грунта тепло, испаряется и его пары поднимаются в верхнюю часть трубчатого корпуса - конденсатор 3. В результате работы модулей 5 происходит охлаждение конденсатора 3 до отрицательных температур, при этом пары хладоагента конденсируются и стекают в испаритель 2. Далее термодинамический цикл "испарение-конденсация" хладоагента повторяется. Радиатор 9 и вентилятор 10 обеспечивают интенсивный конвективный теплообмен теплой стороны модуля 5 с окружающей средой и создают максимальную отрицательную температуру на холодной стороне модуля 5, обращенной к конденсатору 3. В зимнее время при отрицательных температурах окружающей среды устройство, установленное на открытом воздухе, может работать как сезонноохлаждающее устройство за счет охлаждения конденсатора атмосферным воздухом, так и за счет дополнительного включения модулей 5. При установке в закрытых помещениях при положительной температуре окружающей среды устройство может также работать круглогодично за счет охлаждения конденсатора 3 только модулями 5. Таким образом, работа устройства осуществляется круглый год.

В результате испытаний предлагаемого устройства была достигнута максимальная разность температур на модуле 5 не менее 67^oC. При использовании нескольких модулей 5 можно получить более высокую разность температур. Рабочая температура свободной поверхности модуля 5 близка к +80^oC. Благодаря отводу образующегося на теплой стороне модуля 5 тепла получают температуру +20^oC, а на холодной стороне температуру -47^oC. Были отработаны режимы охлаждения конденсатора 3 до температур (-20) - (-30)^oC. Использование предлагаемого устройства наиболее целесообразно для обеспечения устойчивости свайных оснований на вечной мерзлоте под технологическими объектами (сепараторы, адсорберы и т.д.), установленными в закрытых теплых помещениях, и для охлаждения грунтов свайных ростверков. В результате проведенных испытаний установлены следующие преимущества предлагаемого устройства по сравнению с прототипом:
1) эффективность охлаждения грунта выше на 25-30%;
2) срок работы устройства - круглый год;
3) возможность установки устройства внутри закрытого помещения;
4) повышение безопасности при эксплуатации.

Таким образом, приведенная выше информация свидетельствует о выполнении при использовании предлагаемого изобретения следующей совокупности условий:
устройство, воплощающее предлагаемое изобретение, предназначено для использования в строительстве зданий и сооружений, возводимых в районах вечной мерзлоты;
для предлагаемого изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
устройство, полученное в соответствии с предлагаемым изобретением, обладает высокой эффективностью в работе в течение всего года, исключает отепляющее воздействие на замороженный грунт в теплый период года, является безопасным при его эксплуатации.

Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания изобретения к заявке на выдачу патента РФ на "Устройство для аккумуляции холода в основании сооружений"
1. Пат. США N 3217791, 165-45, 1965 г.

2. Пат. США N 3220470, 165-40, 1965 г.

3. Гапеев С.И. Укрепление мерзлых оснований охлаждением. Л., Стройиздат, 1969, 18-20.

4. Авт. свид. СССР N 483491, E 02 D 3/12, 02.11.71 г.

5. Авт. свид. СССР N 495412, E 02 D 3/12, 09.10.72 г.

6. Авт. свид. СССР N 553328, E 02 D 3/12, 15.04.77 г.

7. Пат. ФРГ N 2156420, E 02 D 3/12, 1977 г.

8. Авт. свид. СССР N 547494, E 02 D 3/12, 1968 г.

9. Авт. свид. СССР N 630337, E 02 D 3/12, 30.10.78 г.

10. Авт. свид. СССР N 643587, E 02 D 3/12, 25.01.79 г.

11. Авт. свид. СССР N 682597, E 02 D 3/12, 30.08.79 г.

12. Авт. свид. СССР N 687176, E 02 D 3/12, 25.09.79 г.

13. Авт. свид. СССР N 720101, E 02 D 3/12, 05.03.80 г.

14. Авт. свид. СССР N 746036, E 02 D 3/12, 07.07.80 г.

15. Авт. свид. СССР N 846639, E 02 D 3/12, 15.07.81 г.

16. Авт. свид. СССР N 1033635, E 02 D 3/115, 07.08.83 г.

17. Авт. свид. СССР N 1100385, E 02 D 3/115, 30.06.84 г.

18. Авт. свид. СССР N 588287, E 02 D 3/12, 15.01.78 г.

19. Авт. свид. СССР N 815122, E 02 D 3/12, 23.03.81 г. (прототип).

20. Антонов А. Ф. и др. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Л., Стройиздат, 1977, с. 186.

21. Трупак Н.Г. Замораживание грунтов в строительстве. М., Стройиздат, 1970, с. 23-24.

22. Качур В.Д. и др. Замораживание горных пород жидким азотом при проходке ствола. "Шахтное строительство", 1980 г., N 8, 17-18.

23. Руководство по устройству свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах с предварительным охлаждением оснований. М., НИИОСП, Стройиздат, 1979, с. 4-9.

24. Устройство свайных фундаментов в твердомерзлых грунтах. М., НИИОСП, 1973, с. 93.

25. Рекомендации по проектированию и применению в строительстве охлаждающих установок, работающих без энергетических затрат. М., НИИОСП, 1984, 11-12.

26. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Под. ред. Велли Ю.Я, Л., Стройиздат, 1977, с. 186.

27. Пат. США. N 3903706, E 02 D 27/32, 1975 г.

28. Биянов Г.Ф. Плотины на вечной мерзлоте. М., Энергоатомиздат, 1983 г. , с. 88-89.

29. Хакимов Х.Р. Замораживание грунтов в строительных целях. М., Госстройиздат, 1962, с. 126.

30. Цитович Н. А. и др. Прогноз температурной устойчивости плотин из местных материалов на вечномерзлых основаниях. Л., Стройиздат, 1972, с. 21.

31. Биянов Г.Ф Жидкостные охлаждающие устройства для замораживания талых и охлаждения пластично-мерзлых грунтов при строительстве в районах с суровым климатом. Мат. II Междунар. конф. по мерзлотоведению. Выпуск VII. Якутия, 1973, 47-51.

32. Пчелкин Г. А. Практические способы приближенных теплотехнических расчетов сооружении, возводимых в суровых климатических условиях на вечномерзлых грунтах. Красноярск, 1969, с. 68.

33. Пат. России N 2091679, F 25 B 21/02, 27.09.97 г.

34. Пат. России N 2092753, F 25 B 21/02, 10.10.97 г.

35. Заявка N 93021741/13 на выдачу патента РФ на изобретение "Устройство термоэлектрического модуля из металлополупроводниковых композиционных материалов на основе эффекта Пельтье", F 25 B 21/02, 27.10.96 г.

36. Калашников С.Г. Электричество. М., Наука, 1985 г., с. 429-432.

Формула изобретения

1. Устройство для аккумуляции холода в основании сооружений, включающее частично размещенный в грунте и заполненный хладоагентом герметичный трубчатый корпус, подземная часть которого является испарителем, а надземная - конденсатором, снабженным элементом термического воздействия, отличающееся тем, что трубчатый корпус снабжен снаружи по меньшей мере одной продольной полкой, а элемент термического воздействия выполнен в виде термоэлектрического модуля и по меньшей мере один из них установлен на продольной полке конденсатора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что термоэлектрический модуль выполнен в виде керамической пластины с пазами, в которые вставлены стержни, спрессованные из металлических частиц, покрытых пленкой p- и n-полупроводниковых материалов на основе поликристаллического теллурида висмута и образующих с помощью керамических печатных плат с нанесенными медными соединителями последовательную батарею элементов Пельтье.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на теплой стороне термоэлектрического модуля установлен радиатор.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что радиатор снабжен вентилятором для его обдува.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5