Разработка грунта, связанная с рытьем траншеи в зимних условиях, осложняется необходимостью предварительной подготовки и прогрева мороженого грунта.
В городских условиях, при наличии большого количества действующих кабельных линий и других подземных коммуникаций применение ударных инструментов (отбойных молотков, ломов, клиньев и др.) невозможно из-за опасности механического повреждения действующих кабельных линий и других подземных коммуникаций. Поэтому мерзлый грунт до начала работ по рытью траншеи в зоне действующих кабельных линий должен быть предварительно отогрет с тем, чтобы земляные работы вести лопатами без применения ударного инструмента. Наиболее распространенными методами искусственного оттаивания являются термический и электротермический способы.
Рассмотрим вкратце данные технологии, их преимущества и недостатки. При этом одним из основных критериев возможности применения той или иной технологии размораживания грунтов в ОАО «ОЭК» будет являться простота и безопасность выполнения работ, а также скорость размораживания грунтов.
Как показал опыт ведения ремонтных работ в условиях городских сетей, наиболее удобным, транспортабельным и быстрым является метод отогрева электрическими рефлекторными печами. В качестве нагревателя в печи применяется нихромовая проволока диаметром 3,5 мм. Рефлектор печи изготовляется из согнутого по оси в параболу с расстоянием от отражающего рефлектора до спирали (фокус) 60 мм алюминиевого, дюралюминиевого или стального хромированного листа толщиной 1 мм. Рефлектор отражает тепловую энергию печи, направляя ее на участок отогреваемого мороженого грунта. Для защиты рефлектора от механических повреждений печь закрывается стальным кожухом. Между кожухом и рефлектором имеется воздушный промежуток, что сокращает потери тепла от рассеивания. Рефлекторная печь присоединяется к электрической сети напряжением 380/220/127 В. При отогреве грунта собирается комплект из трех однофазных рефлекторных печей, которые соединяют в звезду или треугольник соответственно напряжению сети. Площадь отогрева одной печи составляет 0,4X1,5 м2; мощность комплекта печей 18 кВт.
Рис. Рефлекторная печь для отогрева мороженого грунта. 1 - нагревательный элемент, 2 - рефлектор, 3 - кожух; 4 - контактные зажимы
Расход электроэнергии для отогрева 1 м3 мороженого грунта составляет примерно 50 кВт-ч при продолжительности отогрева от 6 до 10 ч. При пользовании печами необходимо также обеспечить безопасные условия производства работ. Место отогрева должно быть ограждено, контактные зажимы для присоединения проводом закрыты, а спирали течи не должны касаться грунта.
Недостатки данного способа: опыт эксплуатации данных устройств в ОАО «МОЭСК» показал необходимость тщательного обслуживания (постоянный надзор за работой) для исключения возможности поражения электрическим током, в следствии перегрева контактов. Незначительная площадь оттаивания. Необходимость организации электроснабжения (стационарными или передвижными источниками, исходя из средней площади прогрева как минимум до 20 кВт/ч).
Тепловые потери в следствии невозможности укрытия данных установок и как следствие низкий КПД (в случае их утепления -возможен перегрев и выход из строя).
Преимущества: при наличии источников питания ~ быстрая транспортировка и настройка в работу. Относительно малый по времени период оттаивания - до 10 час. Энергозатраты на оттаивание средней площадки площадью 16 м2 на глубину 0,5 м составляют 400 кВт-час.
При оттаивании грунта горизонтальными электродами по поверхности грунта укладывают электроды из полосовой или круглой стали, концы которых отгибают на 15...20 см для подключения к проводам. Поверхность отогреваемого участка покрывают слоем опилок толщиной 15...20 см, которые смачивают солевым раствором с концентрацией 0,2...0,5 % с таким расчетом, чтобы масса раствора была не менее массы опилок. Вначале смоченные опилки являются токопроводящим элементом, так как замерзший грунт не является проводником. Под воздействием теплоты, генерируемой в слое опилок, оттаивает верхний слой грунта, который превращается в проводник тока от электрода к электроду. После этого под воздействием теплоты начинает оттаивать следующий слой грунта, а затем нижележащие слои. В дальнейшем опилочный слой защищает отогреваемый участок от потерь теплоты в атмосферу, для чего слой опилок покрывают толем или щитами. Этот способ применяют при глубине промерзания фунта до 0,7 м. Оттаивание грунта вертикальными электродами осуществляют с применением стержней из арматурной стали с заостренными нижними концами. При глубине промерзания 0,7 м их забивают в грунт в шахматном порядке на глубину 20...25 см, а по мере оттаивания верхних слоев грунта погружают на большую глубину. При оттаивании сверху вниз необходимо систематически убирать снег и устраивать опилочную засыпку, увлажненную солевым раствором. Режим прогрева при стержневых электродах такой же, как и при полосовых, причем во время отключения электроэнергии электроды следует последовательно заглублять по мере прогрева грунта до 1,3...1,5 м. После отключения электроэнергии в течение 1...2 дней глубина оттаивания продолжает увеличиваться за счет аккумулированной в грунте теплоты под защитой опилочного слоя. Расход энергии при этом способе несколько ниже, чем при способе горизонтальных электродов.
Расход электроэнергии приданных способах размораживания составляет от 42 до 60 кВт/ч на 1 м3 мороженого грунта при длительности отогрева от 24 до 30 ч. Работы по размораживанию грунта электрическим током должны производиться под надзором квалифицированного персонала, ответственного за соблюдение режима отогрева, обеспечения безопасности работ и исправности оборудования. Указанные требования и сложности их выполнения, естественно, ограничивают возможности применения этого способа.
Недостатками данного способа является: Возможность поражения электрическим током. Необходимость организации электроснабжения (стационарными или передвижными источниками, исходя из средней площади прогрева 16 м2 до 180 кВт/ч). Необходимость подготовительных работ (сборка установки, утепление, а в случае вертикальных - бурение шурфов). Постоянный и тщательный контроль работы устройства. Продолжительность периода оттаивания на необходимую глубину - от 24 до 30 ч. Преимущества: простота в изготовлении (при наличии источника питания). Энергозатраты на оттаивание средней площадки площадью 16 м2 на глубину 0,5 м составляют 480 кВт/час
Огневой способ основан на оттаивании грунта путем сжиганием твердого или жидкого топлива в агрегате звеньевого типа, состоящего т ряда металлических коробов в форме разрезанных, по продольной оси усеченных, конусов, из которых собирают сплошную галерею. Первый из коробов представляет собой камеру сгорания, в которой сжигают топливо. Вытяжная труба последнего короба обеспечивает тягу. Для уменьшения тепловых потерь галерею утепляют.
Рис. 3.15. Оттаивание грунта огневым способом (размеры в метрах); 1 - камера сгорания; 2 - вытяжная труба; 3 - обсыпка талым грунтом
Недостатками данной технологии является: длительный по времени процесс размораживания, наличие вспомогательных работ по устройству (разборке) конструкции, постоянный надзор за процессом, большие тепловые потери, вредные выбросы от сжигаемого топлива.
Преимущества: в условиях г. Москва отсутствуют.
Производство работ по размораживанию грунтов с использованием открытого огня (костры) невозможно ввиду запрета на работы с применением открытого огня на территории Москвы.
При производстве работ по данной технологии в ранее подготовленные шпуры заливается нагретый раствор реагентов (хлористого натрия). Раствор реагента (хлористого натрия), введенный в грунт, растворяет кристаллы льда, цементирующие минеральный скелет мерзлого грунта, нарушая сцепление его частиц. Химические реагенты запиваются в шпуры, которые бурятся на глубину, равную 0,7...0,8 глубины промерзания, размещаемые в шахматном порядке на расстояние 0,6...1 м друг от друга. При глубине промерзания 1,5...1,8 м длительность размораживания составляет в среднем 6...8 дней.
Недостатками донной технологи и является: длительный по времени процесс размораживания, наличие вспомогательных работ по устройству шурфов, возможность экологического загрязнения грунтов на близлежащей территории, засоление размораживаемых участков грунта и невозможность их дальнейшего использования.
Преимущества: простота в технологии, низкая стоимость, отсутствие необходимости обслуживания.
Паровое оттаивание основано на впуске пара в грунт, для чего применяют специальные технические средства - паровые иглы, представляющие собой металлическую трубу длиной до 2 м, диаметром 25...50 мм. На нижнюю часть трубы насажен наконечник с отверстиями диаметром 2...3 мм. Иглы соединяют с паропроводом гибкими резиновыми шлангами с кранами. Иглы заглубляют в скважины, предварительно пробуриваемые на глубину, равную 70% глубины оттаивания. Скважины закрывают защитными колпаками, снабженными сальниками для пропуска паровой иглы. После установки аккумулированных колпаков прогреваемую поверхность покрывают слоем термоизолирующего материала (например, опилок). Иглы располагают в шахматном порядке с расстоянием между центрами 1...1,5 м. Расход пара на 1 м3 грунта составляет 50...100 кг. Этот метод требует расхода теплоты примерно в 2 раза больше, чем метод глубинных электродов
Способы отогрева грунта, при которых нагревательные иглы вводятся в мерзлый грунт путем бурения скважин либо их забивки, не получили применения, так как этот способ эффективен и применение его может быть оправдано экономически при глубине разрытия более 0,8 м, т. е. на глубине, которая для кабельных работ не используется.
Недостатки: необходимость подготовительных работ (шурфы, расстановка паровых игл), необходимость источника пара - и даже в случае передвижной паровой установки опасное промышленный объект (Т более 115 °С), наличие конденсата (скапливается и замерзает в период проведения работ на прилегающих территориях, при стандартной площадке 16 м2 количество конденсата 400 - 800 л), парения в месте производства работ, необходимость постоянного тщательное наблюдение за работой установки. Большой расход энергии при работах на глубине до 0,7 м вследствие больших теплопотерь.
Преимущества: метода проявляются только при работах на больших площадях оттаивания на глубине 1,5 - 1,7 м.
Энергозатраты ориентировочно в 2 раза больше, чем при производстве работ с применением электрического разогрева.
Отогрев производится путем засыпки места проведения работ горячим теплоносителем с температурой порядка 100 - 200 °С (песок, шлак, щебень, грунт, отходы дорожного производства - асфальтобетонная крошка) непосредственно на земляное полотно. В случае наличия покрытия земляного полотна (плитка, асфальт, плиты) - оно должно быть демонтировано. Далее место работ огораживается, теплоноситель утепляется (для исключения теплопотерь в наружную среду). Время отогрева составляет в среднем 20+30 час, расход горячего теплоносителя на стандартную площадку 16 м2 составляет около 4 м3 (при стоимости с доставкой и дальнейшей отвозкой 2 500 руб/м3). Ориентировочно через сутки остывший теплоноситель убирается и вывозится в места утилизации.
Преимущества: простота в устройстве и дешевизна метода (средний расход горячего песка -4 м3 при стоимости 2 500 руб/м3), отсутствие необходимости в постоянном наблюдении за процессом размораживания.
Недостатки: возможность срыва сроков поставки, остывание теплоносителя во время транспортировки, необходимость уборки остывшего теплоносителя - погрузка на автомобиль, в случае замерзания самого теплоносителя - дополнительные затраты по его уборке (возможно размораживанию). Длительное время размораживания 20+30 час.
Данная технология основана на передаче теплоты мерзлому грунту контактным способом. В качестве основных технических средств применяют электроиглы, представляющие собой стальные трубы длиной около 1 м, диаметром до 50...60мм. Внутри иглы установлен нагревательный элемент, изолированный от корпуса трубы. Нагревательный элемент имеет контактные выводы для подключения к электрической цепи. Нагреваясь, он передает тепловую энергию стальному корпусу, а тот - мерзлому грунту.
Трубчатые электронагреватели (ТЭНы) относятся к электроприборам, с помощью которых грунт оттаивают радиально в горизонтальном направлении. Электронагреватели рассчитаны на напряжение 220...380 В, силу тока 5 А и температуру нагрева 300...600 °С. ТЭНы включают в цепь электрического тока последовательно, опускают в заранее пробуренные шпуры диаметром до 50 мм и располагают в плане в шахматном порядке на расстояниях 0.5...1 м. Для прогрева грунта применяют также коаксиальные электронагреватели, которые представляют собой две трубы длиной 1,5 м, диаметром 25 и 13 мм, вставленные соосно одна в другую, свободное пространство заполнено кварцевым песком. Процесс отогрева длится 1,5...2 суток при расходе 10...42 кВт-ч на 1 м3 мерзлого грунта.
Схема коаксиального электронагревателя:
1 - наружная труба; 2 - внутренняя труба; 3 - песок; 4 контактные пластины
Недостатки: необходимость тщательного обслуживания (постоянный надзор за работой) для исключения возможности поражения электрическим током, в следствии перегрева контактов. Незначительная площадь оттаивания. Необходимость организации электроснабжения (стационарными или передвижными источниками, исходя из средней площади прогрева 16 м2 до 10-12 кВт/ч). Необходимость подготовительных работ (шурфы, расстановка ТЭНов). Длительный по времени период оттаивания - от 36 до 48 час. Преимущества: Относительно малые энергозатраты - исходя из средней площади прогрева 16 м2 на глубину 0,5 м составляют 240 кВт-час.
Энергозатраты на оттаивание средней площадки площадью 16 м2 на глубину 0,5 м составляют 240 кВт-час.
Этот способ пока не получил практического применения ввиду сложности оборудования, возможности негативного воздействия на металл (в частности проходящих рядом сетей). Серийно выпускаемое оборудование отсутствует. Однако при возможности его применения (наличие правильно подобранного оборудования с определенными режимами) - это один из наиболее эффективных методов размораживания грунтов в части времени размораживания. При этом необходимо учитывать, что сокращение времени на размораживание приведет к большим энергозатратам на единицу времени. В России функционирует ФГУП Всероссийский Научно-Исследовательский Институт токов высокой частоты им. В.П. Вологдина (Санкт-Петербург). Институт производит разработку и изготовление специализированного оборудования в данном направлении.
Имеющиеся в институте экспериментальные данные и проведённые аналитические оценки показывают, что при мощности излучения 50 кВт на частоте 915 МГц для поднятия температуры 1 м3 грунта от -10 до 0 °С потребуется 10+20 минут. Прогрев при этом будет осуществляться послойно с удалением размороженного слоя. Разово отогреваемая площадь составит от 0,25 м2 до 0,75 м2 (в зависимости от количества излучателей-рупоров). Для достижения глубины 1м потребуется удалить 3+4 слоя. С учётом КПД генератора общая подводимая к установке мощность будет составлять 80+90 кВт. Ориентировочная стоимость разработки и изготовления данной установки по предварительной оценке составляет 8+10 млн.руб.
В прицепе (2) располагаются: генераторный блок и источник питания (ИП), блок защиты генератора и автоматики (БЗА), излучатель. Излучатель представляет собой одну или несколько антенн (например, рупорных антенн). Антенны должны иметь возможность вертикального перемещения для обеспечения оптимального расстояния от нагреваемого объёма. Кроме того, в прицепе должны располагаться водоохлаждающая станция для охлаждения магнетрона и циркулятора и блок управления с рабочим местом для оператора. Ориентировочная площадь прицепа будет 5+6 м2, масса оборудовании составит 0,8 -- 1,2 т. Отогреваемая разово площадь составит от 0,25 м2 до 0,75 м2.
В аналогичных условиях эксплуатации электросетевых объектов ОАО «МОЭСК» для размораживания грунтов в настоящее время использует горячий сыпучий теплоноситель как одно из более простых и доступных средств. Ранее используемый ОАО «МОЭСК» опыт применения рефлекторных печей не нашел применения в компании вследствие необходимости постоянного контроля за технологическим процессом, в частности постоянный контроль за нагревательными контактами для исключения их перегрева и нарушения, которые могут привести к поражению электрическим током.
Опыт организации аналогичных работ, в частности выполняемых коммунальными службами, за рубежом базируется на применении экологически чистых, безопасных в производстве работ методах. В частности - применение гидравлических станции для размораживания грунтов.
Технология размораживания грунтов гидравлическими станциями основана на передаче тепла от нагреваемого установкой жидкого теплоносителя через раскатываемые гибкие нагревательные рукава непосредственно на поверхность грунта. Нагрев теплоносителя производится внутри установки горелкой. Максимальная температура нагрева теплоносителя в данных установках (в зависимости от производителя) находится в пределах 75 °С - 90°С. Установки оборудуются довольно большим количеством гибких рукавов, которые позволяют размораживать одновременно площадки размером до 400 м2. Безостановочная эксплуатация данных установок возможно в течении 5 суток. Средняя скорость размораживания грунтов с применением данных установок составляет 30 - 60 см/сутки. Однако при более плотной укладке нагревательных рукавов и их тщательной теплоизоляции возможно сокращение сроков размораживания грунтов. Преимуществами данных установок является простота в обслуживании, безопасность и стабильность результатов при производстве работ, возможно при необходимости размораживать значительные площади мерзлого грунта.
К недостаткам можно отнести высокую стоимость оборудования (2 - 3 млн.руб), необходимость присутствия оператора при производстве работ по размораживанию грунтов.
В частности одним из производителей оборудования в данном направлении является фирма Ваккер Нойсон.
Немецкая технология прогрева грунта позволяет избежать траты большого количества средств, При этом прогрев мерзлого грунта осуществляется в относительно короткие сроки 20-30 час, что позволяет экономить время на проведении работ и точно рассчитывать сроки требуемых на земляные работы.
Максимальный выход тепла в кратчайшее время. Тепловой К. П.Д. при идеальных условиях достигает 94% (высочайший показатель в отрасли).
Нагнетательные насосы обеспечивают максимальную производительность и равномерную теплопередачу.
Благодаря эффективному использованию энергии возможно непрерывное использование длительностью до 63 часов (Е 350М) или 130 часов (Е 700М).
Способность размораживать замерзший грунт до глубины 60 см в сутки.
Цифровой термостат позволяет оператору просто регулировать температуру теплообменной среды.
Этапы рабочего процесса:
Вот как это работает:
Технология применения термоматов ТМ-800 для размораживания грунтов основана на действии инфракрасного излучения. В качестве греющего элемента в термоматах используется греющая инфракрасная термоплёнка Heat Plus, поэтому прогрев происходит одновременно сразу на всю глубину промерзания (использование проникающих свойств инфракрасной энергии) плюс контактной передачей тепла от поверхности термомата.
Термоматы ТМ-800 для прогрева грунта - это полностью готовое устройство, имеющее нагреватель, теплоизоляцию, датчики регулировки температуры и грязе-водонепроницаемую оболочку. Стандартные размеры термомата 1,2*3,2 м, мощностью 800 Вт/м2.
Практика показывает, что для прогрева грунта на глубину 80 см необходимо от 20 до 32 часов.
К недостаткам метода размораживания грунтов термоматами можно отнести необходимость обеспечения их электропитания, необходимость нахождения в месте производства работ наблюдающего-оператора и отсутствие антивандальной защиты.
К преимуществам применения термоматов ТЭМ для прогрева грунта можно отнести низкую стоимость (2 500 руб/м2), простота настройки и обслуживания, низкое энергопотребление - 8 кВт/час на стандартную площадь 16 м2.
Эксперимент проводился в конце зимы (время наибольшего промерзания грунта).
Прогрев грунта термоматами происходит в автоматическом режиме. Условия проведения эксперимента:
На подготовительном этапе проводится расчистка участка от снега, поверхность максимально выравнивается (выступающие элементы срезаются, ямы засыпаются песком). Производится расчёт количества и параметров термоматов.
Прогрев грунта термоматами ТМ-800 происходит в автоматическом режиме. В первые часы, всё выделенное тепло поглощается грунтом и термоматы работают не отключаясь, затем с прогревом поверхности грунта начинает повышаться температура на греющей поверхности термомата и при её достижении 70 °С секции отключаются. Повторное включение секции термомата происходит при достижении нижнего температурного порога (55 - 60 °С). В таком режиме термоматы работают до их отключения от электросети.
Практика показывает, что для прогрева грунта на глубину 60 см. необходимо от 20 до 32 часов. Следует принимать во внимание, что на время прогрева влияют начальные условия (температура воздуха и грунта) и свойства грунта (теплопроводность).
Во избежание перегрева и возможного прогара термомата, необходимо обеспечить достаточный теплообмен (плотное прилегание термомата к прогреваемой поверхности). Не допускается размещение между матом и обогреваемым объектом, каких-либо теплоизолирующих материалов, препятствующих передаче тепловой мощности к обогреваемому объекту.
После окончания прогрева грунта необходимо отключить подачу электропитания, после чего термоматы можно аккуратно убирать. Срок службы термомата напрямую зависит от бережного отношения к нему. Не допускается хождение по термоматам и бросание тяжелых и острых предметов на его поверхность. Складывать термомат можно только по специальным линиям сгиба. Размеры термомата для прогрева грунта в сложенном состоянии 110 см*120 см*6 см. Хранить термоматы рекомендовано в сухом месте. Теоретическая номограмма для определения ориентировочной продолжительности оттаивания и отогрева мерзлых грунтовых оснований нормальной влажности термоматами.
Допустим, глубина промерзания основания равна 1 метру, средняя температура воздуха - 15 °С, основание суглинистое и средняя температура обогрева + 50 °С, тогда продолжительность обогрева составит примерно 11 часов.
Администрация сайта http://termomat.ru/ благодарит автора доклада заместителя начальника ремонтного отдела ОАО "ОЭК" Лобанова Э.А. за предоставленные материалы.
Как сделать инфракрасную сауну самостоятельно, на какие моменты обратить особое внимание, мы рассмотрим в данной статье.
Как за пару часов сделать теплый пол.
Классификация, обзор, выбор.
Разогрев сырья в бочках с точностью до градуса.
Обзор линейки южнокорейских пленочных теплых полов