Выпуск:
2024. Том 10. № 2 (38)Об авторах:
Гильманов Александр Янович, кандидат физико-математических наук, старший преподаватель кафедры моделирования физических процессов и систем, Школа естественных наук, Тюменский государственный университет, Тюмень, Россия; a.y.gilmanov@utmn.ru, https://orcid.org/0000-0002-7115-1629Аннотация:
Поддержание грунта в мерзлом состоянии в условиях криолитозоны является необходимым условием для предотвращения обрушения конструкций. Наиболее эффективным техническим решением для этого является использование двухфазных сезонных термостабилизаторов. Мониторинг состояния вечномерзлого грунта позволяет принимать своевременные технические решения, предотвращающие протаивание грунта. Определение эффективных параметров таких решений требует математического моделирования тепловых и гидродинамических процессов. Впервые предлагается подход, позволяющий эффективно компенсировать тепловую нагрузку от сваи на грунт, предполагающий расположение термостабилизатора в одной скважине со сваей или на незначительном удалении от нее. Целью работы является расчет эффективных параметров термостабилизатора в зависимости от его расположения относительно сваи. Разработанная математическая модель предполагает выделение пяти задач: 1) обдува надземной части термостабилизатора воздухом; 2) движения жидкого хладагента к нижней части термостабилизатора; 3) охлаждения корпуса термостабилизатора восходящим двухфазным потоком хладагента; 4) теплообмена в системе «хладагент — корпус термостабилизатора — мерзлый грунт»; 5) компенсации теплового потока от сваи в грунт тепловым потоком от грунта в термостабилизатор. Первая задача решается на основе эмпирического критериального уравнения. Вторая и третья задача решаются с использованием законов сохранения массы, импульса и энергии. Четвертая и пятая задача предполагают решение уравнения теплопроводности. В результате расчетов получены эффективные параметры термостабилизатора, позволяющего компенсировать тепловую нагрузку от сваи на грунт при различном расположении установки. Установлены минимальные латеральные размеры корпуса термостабилизатора, обеспечивающие компенсацию теплового потока от сваи в грунт. Определено время достижения фронтом промерзания сваи от термостабилизатора, расположенного на удалении 0,5 м от одного из ее углов.Ключевые слова:
Список литературы:
Агеев С. Е. 2019. Применение двухфазных термосифонов в промышленных системах регенерации и передачи теплоты // Инновационная наука. № 5. С. 14–16.
Аникин Г. В., Мочалов Д. В. 2020. Оценка эффективности системы типа «ГЕТ» с углекислотой и аммиаком в качестве хладагента // Криосфера Земли. Том 24. № 2. С. 48–51.
Аникин Г. В., Ишков А. А. 2022. Использование аналитического решения функционирования системы «ГЕТ» для экспресс-оценки эффективности ее работы // Криосфера Земли. Том 26. № 4. С. 59–67. https://doi.org/10.15372/KZ20220405
Аникин Г. В., Ишков А. А. 2023. Аналитическое решение задачи функционирования глубинных сезонных охлаждающих устройств для оценки их эффективности // Криосфера Земли. Том 27. № 4. С. 37–44.
Ишков А. А., Аникин Г. В. 2020. Математическая модель функционирования систем температурной стабилизации грунтов с горизонтальным испарителем // Прикладная физика и математика. № 5. С. 12–16. https://doi.org/10.25791/pfim.05.2020.1173
Ишков А. А., Аникин Г. В. 2021. Математическое моделирование функционирования систем температурной стабилизации грунтов с горизонтальным испарителем // Нефтепромысловое дело. № 2 (626). С. 53–59. https://doi.org/10.33285/0207-2351-2021-2(626)-53-59
Кислицын А. А. 2002. Основы теплофизики: лекции и семинары. Тюмень: Изд-во Тюмен. гос. ун-та. 152 с.
Нигматулин Р. И. 1987. Динамика многофазных сред: в 2 ч. Часть 1. М.: Наука. 464 с.
Сахин В. В., Герлиман Е. М., Брыков Н. А. 2019. Теплопередача в примерах и задачах. СПб.: Балт. гос. техн. ун-т. 165 с.
Cao J., Chen C., Su Y., Leung M. K. H., Bottarelli M., Pei G. 2019. Experimental study on the temperature management behaviours of a controllable loop thermosyphon // Energy Conversion and Management. Vol. 195. Pp. 436–446. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.05.031
Ding T., Cao H. W., He Z. G., Wu J. D., Li Z. 2020. Experimental study on a loop thermosyphon cooling system in data centers using CO2 as a working Fluid, especially thermal environment and energy-saving effect // Applied Thermal Engineering. Vol. 175. Article 115359. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.115359
Ding T., Chen X., Cao H., He Z., Wang J., Li Z. 2021. Principles of loop thermosyphon and its application in data center cooling systems: A review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. Vol. 150. Article 111389. https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111389
Fisenko S. P. 2022. Film flow of the heat-transfer agent in a closed thermosyphon // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. Vol. 95. No. 6. Pp. 1421–1425. https://doi.org/10.1007/s10891-022-02610-y
Gao J., Lai Y., Zhang M., Chang D. 2018. The thermal effect of heating two-phase closed thermosyphons on the high-speed railway embankment in seasonally frozen regions // Applied Thermal Engineering. Vol. 141. Pp. 948–957. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.06.061
Gao J., Ma Q., Ren J. 2021. Evaluating the heating performance of a novel heating two-phase closed thermosyphon (HTPCT) in high-speed railway embankments of seasonally frozen regions // Arabian Journal of Geosciences. Vol. 14. No. 22. Article 2256. https://doi.org/10.1007/s12517-021-08641-8
Guo L., Yu Q., Yin N., You Y., Wang J., Sun Y., Chen K. 2024. Two-phase closed thermosyphon-induced frost jacking of piles and foundation instability in a thawed permafrost area // Natural Hazards. Vol. 120. Pp. 619–637. https://doi.org/10.1007/s11069-023-06169-6
Juengjaroennirachon S., Pratinthong N., Namprakai P., Suparos T. 2017. Performance enhancement of air conditioning using thermosyphon system’s energy storage unit for cooling refrigerant before entering the condenser // Journal of Mechanical Science and Technology. Vol. 31. No. 1. Pp. 393–400. https://doi.org/10.1007/s12206-016-1241-z
Kukkapalli V. K., Kim J.-H., Kim S. 2021. Optimum design of thermosyphon evaporators for roadway embankment stabilization in the arctic regions // Journal of Mechanical Science and Technology. Vol. 35. No. 10. Pp. 4757–4764. https://doi.org/10.1007/s12206-021-0941-1
Moustaid M., Platel V., Guillet M., Reynes H., Buttay C. 2022. Modeling and test of a thermosyphon loop for the cooling of a megawatt-range power electronics converter // International Journal of Thermofluids. Vol. 13. Article 100129. https://doi.org/10.1016/j.ijft.2021.100129
Pinate W., Rittidech S., meena P. 2018. Critical heat flux of a two-phase closed thermosyphon with fins // Journal of Mechanical Science and Technology. Vol. 32. No. 5. Pp. 2357–2364. https://doi.org/10.1007/s12206-018-0447-7
Plotnikov A. A. 2020. Stabilizing the temperature regime of a frozen foundation bed using thermal insulation and cooling mechanisms // Soil Mechanics and Foundation Engineering. Vol. 57. No. 4. Pp. 329–335. https://doi.org/10.1007/s11204-020-09674-z
Qin D., Yao T., Ding Y., Ren J. 2021. Introduction to Cryospheric Science. Singapore: Science Press. XIII, 422 pp. https://doi.org/10.1007/978-981-16-6425-0
Wang F., Li G., Ma W., Mu Y., Mao Y., Wang B. 2018. Influence of warm oil pipeline on underlying permafrost and cooling effect of thermosyphon based on field observations // Proceedings of China-Europe Conference on Geotechnical Engineering. Springer Series in Geomechanics and Geoengineering / W. Wu, H. S. Yu (eds.). Cham: Springer. Pp. 1424–1428. https://doi.org/10.1007/978-3-319-97115-5_115
