Сезонно-действующие охлаждающие установки (СОУ), или термосифоны, в которых за счет естественной конвекции газа (фреона, пропана, аммиака и др.) или жидкости (керосина, антифриза, этиленгликоля и др.) охлаждается окружающий грунт, используются для промораживания грунтов в основании сооружений с использованием естественного холода в зимнее время. Зимой температура грунта выше температуры воздуха, поэтому жидкость у основания термосифонов нагревается, испаряется и перемещается вверх к радиатору. Там жидкость охлаждается более холодным воздухом, конденсируется и движется вниз. В этом цикле тепло переносится от грунта к воздуху, пока существует соответствующая разница температур ($ΔT$); в противном случае, система прекращает работать. По этой причине летом теплообмен прекращается, а «вечная мерзлота» сохраняется.
Промораживание грунтов производится с целью:
Надземные трубопроводы в районах с «вечной мерзлотой» иногда поддерживают на стальных сваях, внутри которых устанавливают термостабилизаторы для избежания растепления грунта в процессе строительства или в следствие воздействия теплого трубопровода (рис. 1).
Охлаждающие устройства могут быть вертикальные, горизонтальные или наклонные с одним или несколькими конденсаторами.
Рис. 1. Трубопровод на Аляске (фото из Интернета)
Программный комплекс PLAXIS позволяет моделировать воздействие СОУ на тепловой режим грунтов. Рассмотрим это на примере одиночного вертикального термосифона, а затем выполним ручной расчет радиуса льдогрунтового цилиндра после 1 года работы СОУ, по методике, описанной в СП 25.13330.2012 (Расчет глубинного охлаждения, замораживания грунта).
Для моделирования необходимо следующие исходные данные:
Осесимметричная модель в PLAXIS имеет радиальную ширину 6 м и глубину 8 м (рис. 2). Радиус испарителя принят равным 0,05 м.
Рис. 2. Геометрия модели в PLAXIS (слева) и сгенерированная сетка конечных элементов (справа)