Применение СОУ за рубежом
За рубежом, термосифоны используются для стабилизации фундаментов на мерзлоте сливающегося и островного типа с 1960 года. На Январь 2008, термосифоны были использованы в более чем 900 объектах, построенных на территории Аляски. Самое масштабное применение термосифонов было вдоль Трансаляскинского трубопровода (завершен в 1977 году), где было установлено около 120 000 единиц (cм рисунок ниже). Использование термосифонов в инженерном строительстве Китая началось в 1970-х годах.
Места установки термосифонов на Аляске компанией Arctic Foundation Inc., (по состоянию на январь 2008 г.)
Источник: Review of Thermosyphon Applications. Anna M. Wagner. February 2014
За рубежом используются три различных типа организации конвекционного цикла термосифонов:
- Пассивные термосифоны.
- Активные термосифоны.
- Гибридные термосифоны.
Пассивные термосифоны функционируют без внешнего источника питания и работают только при температуре воздуха ниже нуля и ниже температуры Земли.
Активные термосифоны соединены с тепловым насосом (подобным холодильнику) и таким образом могут использоваться в более умеренном климате. Пассивные и активные методы могут быть объединены в гибридную систему.
Гибридная система работает без питания, когда температура достаточно низкая, и как только температура окружающей среды поднимается выше нуля, тепловой насос включается автоматически. Эта система снижает затраты энергии по сравнению с обычными методами замораживания, которые должны работать непрерывно.
В зависимости от применения термосифоны могут устанавливаться вертикально, наклонными, горизонтально, в виде плоской петли, или полностью заглубленными, что также получило название «термосифон в виде шпильки» (hairpin thermosyphon).
Применение термостабилизаторов на Трансаляскинском нефтепроводе
Плитные фундаменты на вечномерзлых грунтах требуют теплоизоляции под плитой пола и системы отвода тепла (например, термосифоны) под теплоизоляцией. На рисунке ниже показано применение таких термосифонов. Для правильной конструкции оттаивание и замораживание должны происходить только в пределах СТС/СМС. Конструкция фундамента включает в себя необходимую толщину изоляции и гравия, термосифонами расположены с некоторым шагом и вертикальное размещение в пределах заполнения СТС/СМС.
Магазин тяжелого оборудования, Чандалар, Аляска
Туле, Гренландия Новая станция слежения (в стадии строительства)
Технические решения по фундаментам с применением горизонтального контура с естественной циркуляцией включают в себя подстилку, изоляцию и не пучинистый грунт (песок). На рисунке ниже показано применение таких термосифонов.
Монтаж горизонтального контура термосифона. Дом в Дедхорс, Аляска
Термосифоны с горизонтальным контуром с естественной циркуляцией в региональной больнице Инувик в Инувике, Северо-Западный округ, Канада
Зона обслуживания Дедхорс, Аляска
Термосифоны также широко используются для термостабилизации неотапливаемых объектов, таких как фундаменты опор ЛЭП или опор линий электропередач (см. рисунок ниже).
Мачта связи, Квигиллингок, Аляска
Туле, Гренландия Новая станция слежения (в стадии строительства)
Термосифоны могут быть использованы как часть свайных фундаментов или они могут быть установлены в свайном фундаменте или вокруг него. Первые установки такого типа были установлены на коммуникациях Аврора и Гленналлен (Аляска) в 1960 году.
Антенна в Гаконе, Аляска
При строительстве подземных и надземных трубопроводов в районах вечной мерзлоты необходимы специальные технические решения для предотвращения таяния вечной мерзлоты. Вечная мерзлота может быть термостабилизиорована либо охлаждением транспортируемого внутри трубопровода продукта (это возможно для газа, а не жидкости), либо охлаждением внешней части трубопровода. Термосифоны предназначены для обеспечения того, чтобы любое избыточное тепло, транспортируемое вниз от трубопровода, не вызывало оттаивания вечной мерзлоты, в которую закладываются опорные сваи.
Достаточное количество тепла должно быть удалено из грунтов оснований в течение зимы, чтобы создать запас холода, достаточный для поглощения летнего тепла. Условия на участке должны быть такими, чтобы зимнее охлаждение превышало летнее оттаивание. Это справедливо для всех конструкций, использующих пассивные термосифоны.
Транс-Аляскинский трубопровод (рисунок ниже) начинается в Прудхо-Бей на севере и заканчивается в Вальдесе на юге штата Аляска. Первоначально все 124 000 единиц СОУ были заряжены NH3, и некоторые из этих единиц вышли из строя. С тех пор NH3 был удален из 14 000 единиц и заряжен CO2, чтобы избежать этой проблемы.
Применение термостабилизаторов на Трансаляскинском нефтепроводе
Термосифоны были применены для железнодорожных насыпей в 1978 году вдоль железной дороги Гудзонова залива, Канада. В 1982 году первая взлетно-посадочная полоса была построена в аэропорту Бетель, Аляска.
В 1982 году деградация вечной мерзлоты 61-метрового участка асфальтированной взлетно-посадочной полосы Бетеля была стабилизирована 31 термосифоном. Испарители были погружены в насыпь под уклоном 15° от горизонтали и имели длину от 29 до 59 м.
В 1989 году термосифоны были установлены для обработки участка шоссе длиной 120 м, лежащего под крайне неустойчивой вечной мерзлотой в Бетеле, штат Алабама. Участок состоит из мелкозернистых эоловых песков до богатых льдом органических илов и илистых торфяных почв. Проект включал 48 термосифонов, установленных перпендикулярно шоссе на склоне от 1 вертикального до 15 горизонтальных с продольным интервалом 3 м. Испарительные установки представляли собой трубы диаметром 76 мм, заряженные CO2 до давления приблизительно 3100 кПа. Целью данного проекта было замораживание насыпи в зимний период и предотвращение оттаивания нижележащих многолетнемерзлых грунтов в летний период. В течение первого лета температура не поднималась выше 2°C, по сравнению с 16°C непосредственно над слоем теплоизоляции в насыпи. Через четыре года после установки под слоем теплоизоляции было отмечено небольшое оттаивание (менее 0,5°C). Этот проект показал, что термосифоны в сочетании со слоем теплоизоляции могут быть эффективным способом температурной стабилизации вечной мерзлоты. Термосифоны отводят тепло от нижних слоев насыпи гораздо быстрее, чем это возможно в других условиях, устраняя недостаток теплоизоляции в зимний период.
Три типа термосифонов были установлены на насыпи проезжей части в Фэрбенксе, штат Огайо, в ноябре 1998 года для стабилизации прерывистых вечномерзлых грунтов под проезжей частью (рисунок ниже). В трех различных секциях были установлены два ранее разработанных термосифона, работающих с горизонтальными и волнообразными секциями испарителя, а также полностью скрытая система, малозаметная для движения и технического обслуживания. Часть термосифонов были стандартными горизонтальными испарительными установками с вертикальными конденсаторами.
Термосифоны Arctic Foundations Inc (AFI) были полностью погружены в грунт без вертикальных конденсаторов. Это исследование показало, что все системы работают эффективно и могут быть использованы для предотвращения повышения температур грунтов теплого периода года. Он также показал, что температуры вечной мерзлоты могут быть понижены с помощью термосифонов в прерывистых местах вечной мерзлоты. Глубина оттаивания под проезжей частью уменьшилась с 8,3 до 2 м на всех участках (кроме контрольного) с понижением температуры вечной мерзлоты до минус 3°С.
Испытательный участок на Чена-Хот-Спрингс-Роуд, Фэрбенкс Аляска
Поперечное сечение проезжей части
Изображение окончательной установки
Источник: Review of Thermosyphon Applications. Anna M. Wagner. February 2014
Искусственные замороженные противофильтрационные барьеры могут создаваться термосифонами и использоваться для перенаправления движения потока грунтовых вод или захвата и удержания загрязняющих веществ вблизи опасного места разлива. В 1996 году гибридные термосифоны использовались для сдерживания грунтовых вод, загрязненных радионуклидами, в Национальной лаборатории Ок-Риджа, штат Теннесси. Термосифоны также использовались для строительства защитных стен для хвостохранилищ и горных выработок в холодных регионах.
Термосифоны на плотине Лонг-Лейк-аутлет, алмазный рудник Экати, Северо-западная территория, Канада
Гибридные термосифоны для охлаждения дамбы, алмазный рудник Диавик, Северо-Запад, Канада
Наряде объектов Аляски и Канады применяются винтовые термосваи большого и малого диаметра.
Отряд Королевской канадской конной полиции, Инувик, Северо-Запад, Канада 2014
Винтовые термосваи Квигиллингок для пристройки к школе K 12 (2013)
Столбы для забора из термосвай на объекте: Антенна в Гаконе, Аляска (2004)
Для термостабилизации опор мостов применяются как одиночные термосифоны, так и монтируемый термосифоны внутри опор мостов.
Термосифоны под мостом Донжек
Термосифоны внутри опор моста, Северный склон, Аляска (2014)
Использование гибридных систем не редкость, где требуется более быстрое замораживание. Гибридные термосифоны были испытаны в лаборатории в начале 1990-х годов, но первая коммерческая установка была летом 1984 года в Галене, Аляска.
Гибридные термосифоны установлены в Фэрбенксе, штат Огайо
Источник: Review of Thermosyphon Applications. Anna M. Wagner. February 2014
Гибридные винтовые термосваи для фундамента ветряной башни, Диринг, Аляска (2015)
Термосифоны с заглубленными конденсаторами предназначены для отвода тепла, получаемого от земляного полотна, через приповерхностные грунты или насыпь. Типичное применение этих установок — на участках проезжей части автодорог или аэродромов. Конденсаторы могут быть соединены как с вертикальными, так и с наклонными испарителями. Система предназначена для обеспечения чистого охлаждения ниже участка насыпи для сохранения вечной мерзлоты.
Поскольку конденсаторы выделяют тепло через поверхность, то их можно использовать в конструкции дорожного полотна без эффекта обледенения, характерного для дорого и аэродромов в холодном климате. Эта система, как правило, не предназначена для оттаивания льда и снега на дорожном покрытии, однако она вызовет подогрев дорожного покрытия, который ослабляет сцепление между дорожным покрытием и льдом. Чем ближе конденсаторы находятся к поверхности, тем лучше будет работать эта система.
Стандартный оребренный вертикальный конденсатор обычных СОУ в большинстве случаев превосходит заглубленный конденсатор, однако стандартные конденсаторы подвержены повреждениям и могут быть занесены снегом.
Следующий тепловизионный снимок показывает тепло от заглубленных конденсаторов на Томпсон Драйв в Фэрбенксе, Аляска.
Термосифоны также часто применяются для снижения теплового воздействия добывающих скважин и термостабилизации грунтов вокруг устьев скважин.
Термосифоны со смещением конденсаторов на 30 метров для охлаждения ствола скважины, Северный склон, Аляска (2014)
