Анализ влияния оребрения внешней поверхности термостабилизатора на эффективность охлаждения грунта

Abstract

Актуальность. Строительство зданий и сооружений в условиях вечной мерзлоты сопряжено с проблемой протаивания грунта вследствие тепловой нагрузки от сооружений, что может приводить к разрушению конструкций. Для предотвращения этого явления на практике хорошо зарекомендовали себя термостабилизаторы, успешное применение которых затруднительно без предварительного моделирования тепловых потоков в системе грунт-термостабилизатор. Наиболее эффективной конструкцией пассивного термостабилизатора является установка, в которой хладагент претерпевает фазовый переход первого рода. Дополнительное повышение эффективности использования двухфазного термостабилизатора возможно за счет оребрения внешней поверхности внешней трубы такой установки. Целью работы является расчёт эффективности использования термостабилизатора с оребрением внешней поверхности и без него. Объекты: термостабилизатор, хладагент, теплообмен, замороженный грунт. Методы. Физико-математическая модель для описания процессов тепломассообмена в системе термостабилизатор-промерзший грунт рассматривается в осесимметричной постановке, основана на фундаментальной системе уравнений механики многофазных сред и записывается в односкоростном приближении в стационарном случае. Моделируются две фазы хладагента: жидкость и пар. В качестве хладагента рассматривается углекислый газ. Интенсивность фазового перехода пар-жидкость определяется отношением количества теплоты, поступающего из грунта, к скрытой теплоте фазового перехода. Выделяются три подзадачи: движение жидкого хладагента во внутренней трубе термостабилизатора, естественный двухфазный конвективный поток хладагента в зазоре между внутренней и внешней трубами термостабилизатора и кондуктивный теплообмен в системе термостабилизатор- замороженный грунт. Решение первой подзадачи осуществляется аналитически, решение остальных подзадач проводится с помощью метода Эйлера. Влияние оребрения внешней поверхности термостабилизатора учитывается в рамках модифицированной концепции скин-фактора. Результаты и выводы. Получены распределения давления и температуры по длине термостабилизатора, а также распределение температуры в грунте в случаях оребренной и неоребренной поверхностей термостабилизатора. Установлено, что наличие оребрения внешней поверхности внешней трубы термостабилизатора увеличивает тепловой поток из грунта на 10 %, что позволяет снизить температуру грунта вблизи поверхности термостабилизатора на 5 К. Определено, что грунт эффективно охлаждается в пределах расстояния 1 м от термостабилизатора; это расстояние рекомендуется в качестве оптимального для размещения соседнего термостабилизатора

Relevance. The construction of buildings and structures in permafrost conditions is associated with the problem of soil thawing. To prevent this phenomenon, heat stabilizer have proven themselves good in practice. Their successful use is difficult without preliminary modeling of heat flows in the soil-heat stabilizer system. The most effective design of a passive heat stabilizer is an installation with two-phase of refrigerant. An additional increase in the efficiency of using a two-phase heat stabilizer is possible due to the finning of the outer surface of the outer pipe of it. Aim. To calculate the efficiency of using a heat stabilizer with and without finning of the outer surface. Objects. Heat stabilizer, refrigerant, heat transfer, frozen soil. Methods. The mathematical model for describing the processes of heat and mass transfer in the heat stabilizer-frozen soil system is considered in an axisymmetric formulation. There are three subtasks: the movement of liquid refrigerant in the inner tube of the heat stabilizer, the two-phase convective flow of refrigerant in the gap between the inner and outer tubes and conductive heat exchange in the system of the heat stabilizer-frozen soil. The influence of the finning of the outer surface of the heat stabilizer is considered within the framework of the modified concept of the skin factor. Results and conclusions. The authors have obtained the pressure and temperature distributions along the length of the heat stabilizer. It was found that the presence of fins on the outer surface of the external pipe of the heat stabilizer increases the heat flow from the soil by 10%. It is determined that the soil is effectively cooled within 1 m from the heat stabilizer; this distance is recommended as optimal for the placement of an adjacent heat stabilizer