CN102383414A - 具有多供液管的液氮冻结器 - Google Patents

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胡向东
郭旺
曹明亮
严长征
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Abstract

本发明公开了一种具有多供液管的液氮冻结器，其包括冻结管、排气管以及至少两根供液管，排气管和供液管置于冻结管内，排气管和供液管的一端在冻结管的端口处固定于冻结管上，供液管的另一端伸至冻结管纵向上的不同位置，且每个供液管各自设有独立控制的控制阀，以控制各个供液管的启闭及流量。本发明可以控制液氮在冻结管内气化的位置和数量，使地层液氮冻结效果可控，使液氮冻结形成的冻土获得需要的任意形状，包括均匀连续的和特定形状的冻土体，并最大限度降低液氮消耗量、节省施工周期，提高液氮冻结的经济性。

Description

具有多供液管的液氮冻结器
技术领域
本发明属于地层液氮冻结施工领域，涉及一种液氮冻结器，尤其是用于修建隧道联络通道、盾构隧道始发与接收、煤矿竖井开挖以及一些需要紧急处理的工程事故等冻结法施工中采用液氮地层冻结时，在冻结管内布置多供液管的液氮冻结器。
背景技术
液氮冻结是人工地层冻结技术之一，属于物态变化的制冷范畴。液氮在冻结管内直接气化，产生气化潜热和温升显热，吸收地层中的热量，从而实现土层的快速冻结。液氮冻结具有系统简单，冻结速度快、冻结温度低和冻土帷幕强度高等特点，并且冻结加固土体的形式灵活，冻结规模不限，同时土体的冻胀和融沉远远小于普通盐水冻结，因此，近年来该冻结技术越来越多地应用于城市地下工程建设，尤其适用于一些需要紧急处理的工程事故中。
采用盐水冻结时，由于低温盐水作为冷源，其温度相对稳定，盐水温度沿冻结管长度方向分布相对均匀，因此，盐水冻结形成的冻土其温度及形状都是相对均匀的。但是，采用液氮冻结时，由于液氮在不同的供液压力下，液氮在冻结管内的气化位置不同，并且低温液氮或氮气与周围介质的热交换主要发生在冻结管底部的供液管开口处，因此，在沿冻结管方向上易形成管端部体积较大而其他部位体积相对较小的冻土形状，造成液氮冻结形成的冻土其温度与形状不均匀甚至不连续。现今，工程中采用液氮冻结时为了达到预期的均匀冻结效果，往往会增加液氮的用量，如此，在浪费液氮的同时，不必要地增加了工程成本。工程上也有采用在供液管上开孔来分散液氮气化位置，试图获得均匀冻结效果的做法，但由于无法控制液氮实际发生气化的位置和数量，难以获得理想效果。
发明内容
本发明的目的在于针对采用液氮冻结形成的冻土温度场及冻土体发展沿冻结管不均匀甚至不连续的冻结效果失控的问题，提供一种具有多供液管的液氮冻结器，可以有效控制液氮在冻结管内发生气化的位置和液氮气化量，提供液氮冻结效果的可控性，使液氮冻结的冻土体形成需要的任意形状，包括通常的均匀连续冻土体和在特殊情况下需要的特定形状的冻土体。
为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：
一种液氮冻结器，其包括冻结管、排气管以及至少两根供液管，排气管和供液管置于冻结管内，排气管和供液管的一端在冻结管的端口处固定于冻结管上，供液管的另一端伸至冻结管纵向上的不同位置。
所述供液管各自设有独立控制的控制阀，以控制每个供液管的启闭及流量。
所述供液管伸入冻结管内的底端封闭，并在底端圆周方向上设置若干小孔。
所述冻结管、供液管和排气管采用无缝不锈钢管或者紫铜管。
所述控制阀采用法兰式三通阀门。
由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：在不影响冻结管内低温液氮或氮气或液氮与氮气混合时同周围地层热交换的同时，使得液氮冻结效果可控，形成任意形状的冻土体，即，可以形成连续均匀的也可在特殊要求下形成特定形状的冻土体，并且可使液氮冻结的使用更加经济。
附图说明
图1为本发明液氮冻结器的结构示意图。
图2为本发明供液管的结构示意图，(a)为纵向剖面图，(b)为横向剖面图。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的液氮冻结器主要包括：冻结管1、供液管2、控制阀3、排气管4。其具体安装方式为：首先，将冻结管1置于地层中；其次，将供液管2和排气管4放入液氮冻结管1中，供液管2和排气管4的一端伸入冻结管1内，另一端通过冻结管1端口处的密封钢板5与冻结管1焊接固定并保证密封；然后，在每根供液管2位于冻结管1外侧的位置均装设对应的控制阀3，从而可以在冻结过程中，通过调节不同供液管2上独立控制的控制阀3，进行冻结管1内多根供液管2的液氮供液和流量调节。供液管2伸入冻结管1的长度(即液氮释放孔的位置)根据期望形成的冻土形状确定，而冻土形成的大小通过供液管2上各自独立的控制阀3对液氮量的调节来控制。这样，供液管2对液氮作用位置的控制与控制阀3对液氮流量的控制的共同作用使得冻结效果成为可控，使液氮冻结冻土体最终形成期望的形状，例如均匀、连续的冻土体，或在特殊情况下，可根据需要形成特定形状的冻土体。
冻结管1、供液管2和排气管4均可采用无缝不锈钢管(工程中常用)或者紫铜管。本发明中所采用供液管2的数量在两根以上，可依据实际需要来确定供液管2的具体使用数量。此外，每根供液管2的底端封闭，并在底端开若干小孔，目的是使液氮比较均匀地喷向四周，而不是仅在单一方向喷出，如图2所示，以开4个小孔为例。控制阀3可以采用普通的法兰式三通阀门。
本发明的液氮冻结器的应用范围不限于地层冻结中，也适用于实验室或其他各种被冻结介质的场合。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种液氮冻结器，其特征在于：其包括冻结管、排气管以及至少两根供液管，排气管和供液管置于冻结管内，排气管和供液管的一端在冻结管的端口处固定于冻结管上，供液管的另一端伸至冻结管纵向上的不同位置。
2.如权利要求1所述的液氮冻结器，其特征在于：所述供液管各自设有独立控制的控制阀。
3.如权利要求1所述的液氮冻结器，其特征在于：所述供液管伸入冻结管内的底端封闭，并在底端圆周方向上设置若干小孔。
4.如权利要求1所述的液氮冻结器，其特征在于：所述冻结管、供液管和排气管采用无缝不锈钢管或者紫铜管。
5.如权利要求2所述的液氮冻结器，其特征在于：所述控制阀采用法兰式三通阀门。
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