Повышение эффективности работы термостабилизатора за счёт распределения потоков хладагента внутри устройства и оребрения его поверхностей

Abstract

Актуальность. Строительство протяжённых магистральных трубопроводов в условиях криолитозоны сопряжено с проблемой протаивания грунта под ними. Эффективным решением этой проблемы является использование двухфазных термостабилизаторов, расположенных рядом со сваями, на которых находится трубопровод. Для повышения эффективности работы устройства впервые предлагается проводить оребрение внутренней поверхности надземной части термосифона. Цель: определение оптимальных параметров оребрения поверхностей термосифона и количества сегментов разделяющего потоки хладагента устройства. Объекты: термостабилизатор, хладагент, тепло- массообмен, мерзлый грунт. Методы. Для определения оптимальных параметров конструкции устройства проводится физико-математическое моделирование процессов тепломассопереноса в системе окружающая среда-термостабилизатор-грунт. Разработанная модель использует законы неизотермической многофазной механики и включает выделение характерных подзадач с учётом симметрии протекающих процессов. Выделяется пять связанных подзадач: обдув надземной части термостабилизатора; конденсация теплоносителя внутри надземной части устройства; движение хладагента внутри разделяющего потоки устройства; восходящий поток теплоносителя в зазоре между корпусом термосифона и сегментами разделителя потоков; теплообмен термостабилизатора с мёрзлым грунтом. Результаты и выводы. Проведена валидация предложенной модели путём сопоставления расчётных данных с замерами температурного профиля с использованием термокосы для здания Государственного архива Салехарда. В работе показано, что увеличение размеров оребрения внешней поверхности подземной части термостабилизатора и сегментирование разделяющего потоки хладагента устройства позволяют равномерно охладить грунт в области, не подверженной сезонным протаиваниям. Установлено, что увеличение площади контакта хладагента с внутренней поверхностью надземной части термосифона за счёт оребрения этой поверхности позволяет повысить среднее значение предельной температуры окружающей среды, при которой работа устройства является эффективной

Relevance. The construction of long pipelines in the conditions of the cryolithozone is associated with the problem of soil thawing under them. An effective solution to this problem is the use of two-phase heat stabilizers located next to the piles. To increase the efficiency of the device, it is proposed to fin the inner surface of the aboveground part of the thermosyphon. Aim. To determine the optimal parameters of the finning of the thermosyphon surfaces and the number of segments of the device separating the refrigerant flows. Objects. Heat stabilizer, refrigerant, heat and mass transfer, frozen soil. Methods. The developed model uses the laws of non-isothermal multiphase mechanics. There are five related subtasks: blowing of the above-ground part of the heat stabilizer; condensation of the refrigerant inside the above-ground part of the device; movement of the refrigerant inside the flow-separating device; upward flow of the refrigerant; heat exchange of the heat stabilizer with frozen soil. Results and conclusions. The validation of the proposed model was carried out by comparing the calculated data with measurements of the temperature profile for the Salekhard State Archive building. The work shows that increasing the size of the fins of the outer surface of the underground part of the heat stabilizer and segmenting the device separating the refrigerant flows makes it possible to evenly cool the soil in an area not subject to seasonal thawing. It was found that increasing the contact area of the refrigerant with the inner surface of the aboveground part of the thermosyphon due to the finning of this surface makes it possible to increase the average value of the ambient temperature limit at which the device is effective