CN102419216A - 液氮冻结管内的温度监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液氮冻结管内的温度监测装置，包括冻结管、供液管、排气管、测温装置和测温管，供液管、排气管和测温管置于冻结管内，其一端在冻结管的端口固定于冻结管上，测温管内设定测温点，测温装置采集置于测温管内的测温点处的温度。测温装置包括测温线和温度采集仪，测温线一端伸至测温管的测温点处，另一端连接温度采集仪以采集温度，从而可以掌握液氮冻结时冻结管内液氮或氮气或液氮与氮气混合时的温度梯度及其温度随时间的变化规律，并得到精确的由液氮冻结形成的冻土温度场与冻土帷幕的发展变化情况。同时，本发明可降低工程成本，节省施工周期，为施工安全提供了保障。

Description

液氮冻结管内的温度监测装置

技术领域

本发明属于地层液氮冻结施工领域，涉及液氮冻结管内的温度监测装置，尤其是适用于修建隧道联络通道、盾构隧道进出洞、煤矿竖井开挖以及一些需要紧急处理的工程事故等冻结施工中采用液氮冻结时，在冻结管内布线测试低温液氮或氮气或液氮与氮气混合时的温度梯度的装置。

背景技术

人工地层冻结法(简称冻结法)是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，同时作为一种支护结构，隔绝地下水与地下工程的联系，其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以加固地层。由于其具有适应性强、强度高、隔水性能好、环境影响小等优点，广泛应用于矿井、隧道、基坑工程、盾构进出洞、联络通道等多种工程。近年来，随着盾构隧道的发展，冻结法在盾构隧道联络通道施工中得到了越来越多的应用，此外在隧道修复工程中也得到应用。

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汽化，产生汽化潜热和温升显热，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。

无论采用何种冻结方式，掌握冻结所形成冻土帷幕的发展与结构状态以及冻土性质是至关重要的，这些内容都与冻土温度相关，并且冻土帷幕温度场是随时间变化的。因此，为了保证冻土帷幕的安全和有效，必须实时掌握相关的各种参数，尤其是冻土温度场的实时变化和发展情况，以确保冻结施工顺利进行。

在采用盐水冻结时，低温盐水作为冷源，其温度相对稳定，盐水温度可通过在盐水冻结干管去回路，以及各冻结支路上安装温度传感器测得，这也是工程上常用的方法。通过掌握盐水温度，加之冻土温度的监测，可以较为准确地确定盐水冻结温度场以及冻土帷幕的变化发展情况。但是采用液氮冻结时，由于液氮在不同的出罐压力下，在冻结管内的汽化位置不同，并且低温液氮或氮气或液氮与氮气混合时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，造成冻土帷幕不均匀甚至不连续。还有，液氮冻结管内低温液氮或氮气或液氮与氮气混合时的温度梯度分布情况及其随时间的变化情况是未知的，即使可通过在周围介质内布置测温点了解冻结壁的温度情况，也无法精确地掌握冻土温度场的发展以及冻土帷幕的发展情况。现今，工程中常见的也是通过冻土帷幕温度的监测值，估算冻土帷幕的发展范围。然而，由于估算的偏差，往往会增加液氮的用量，在浪费液氮的同时，也不必要地增加了工程成本。

发明内容

本发明的目的在于针对采用液氮冻结时，液氮冻结管内低温液氮或氮气或液氮与氮气混合时的温度梯度与温度变化未知的问题，提供一种液氮冻结管内的温度监测装置，该装置不仅能测得低温液氮或氮气或液氮与氮气混合时的温度梯度，还能获得其温度随冻结时间的变化规律。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

一种液氮冻结管内的温度监测装置，包括冻结管、供液管、排气管、测温装置和测温管，供液管、排气管和测温管置于冻结管内，供液管、排气管和测温管的一端在冻结管的端口处固定于冻结管上，测温管内设定测温点，测温装置置于测温管内的测温点处采集温度。

所述测温装置包括测温线和温度采集仪，测温线一端伸至测温管的测温点处，另一端连接温度采集仪。

所述测温线采用热电偶，并可随时从测温管内拔出或更换。

所述测温线至少为两根。

所述测温管采用小孔径的不锈钢管或紫铜管，并可随时拆除或更换。

所述不锈钢管或紫铜管的孔径不超过φ40mm。

所述供液管、排气管和测温管通过冻结管端口的密封钢板与冻结管焊接固定。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：在不影响液氮冻结管内低温液氮或氮气或液氮与氮气混合时同周围介质热交换的同时，能测出其温度梯度以及获得其温度随时间的变化规律，由此精确确定液氮冻结冻土温度场与冻土帷幕随时间的变化发展情况。

附图说明

图1本发明液氮冻结管内温度监测装置的布置图。

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，本发明主要包括：液氮冻结管1、供液管2、测温管3、排气管4、测温线5和温度采集仪6。其具体安装方式为：首先，将液氮冻结管1置于地层中；其次，将供液管2、测温管3和排气管4放入液氮冻结管1中，这三管一端伸入液氮冻结管1内，另一端则可通过液氮冻结管1端口处的密封钢板7与液氮冻结管1焊接固定，且测温管3根据实际工程需要可随时从液氮冻结管1端口处的密封钢板7上拆除或更换；然后，将测温线5的一端送入测温管3中的指定位置，并且可以随时从测温管3中拔出或更换，将测温线5的另一端与温度采集仪6连接；最后，在冻结过程中，通过测温线5进行液氮冻结管1内低温液氮或氮气或液氮与氮气混合时的温度值采集，从而掌握低温液氮或氮气或液氮与氮气混合时在液氮冻结管1内的温度梯度及其温度随时间的变化规律，并由此可精确确定液氮冻结冻土温度场与冻土帷幕随时间的变化发展情况。

其中，测温管3采用小孔径的不锈钢管或紫铜管，孔径在工程上一般不超过φ40mm，室内试验在约为φ10mm。测温线5采用热电偶，主要是确保其在超低温环境下的测温精度，工程上采用较多的为T型热电偶，材料为铜/铜镍合金(康铜)，测温范围在-200～+350℃，灵敏度可达43μV/℃。在此不考虑工程常用的温度传感器，由于其测试低温的极限一般为-55℃，达不到测试液氮温度(在汽化时为-195.8℃)的要求。此外，测温管3内布置测温线5的数量不是固定的，为了测出液氮或氮气或液氮与氮气混合时的温度梯度，测温线5最好密集布置在测温管3内不同的断面上且不能少于两根，但要考虑温度采集仪6的读数能力以及具体实施过程中布线的难易程度等因素来决定测温线5最终采用的数量。温度采集仪6可采用各种类型的温度监测数据采集仪器，包括Data Taker公司生产的DT80G GeoLogger万用数据采集器(最终需通过电脑采集数据)，以及其它电压表等。

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 (7)

1.一种液氮冻结管内的温度监测装置，其特征在于：包括冻结管、供液管、排气管、测温装置和测温管，供液管、排气管和测温管置于冻结管内，其一端在冻结管的端口处固定于冻结管上，测温管内设定测温点，测温装置置于测温管内的测温点处采集温度。

2.如权利要求1所述的液氮冻结管内的温度监测装置，其特征在于：所述测温装置包括测温线和温度采集仪，测温线一端伸至测温管的测温点处，另一端连接温度采集仪。

3.如权利要求2所述的液氮冻结管内的温度监测装置，其特征在于：所述测温线采用热电偶。

4.如权利要求2所述的液氮冻结管内的温度监测装置，其特征在于：所述测温线至少为两根。

5.如权利要求1所述的液氮冻结管内的温度监测装置，其特征在于：所述测温管采用小孔径的不锈钢管或紫铜管。

6.如权利要求5所述的液氮冻结管内的温度监测装置，其特征在于：所述不锈钢管或紫铜管的孔径不超过φ40mm。

7.如权利要求1所述的液氮冻结管内的温度监测装置，其特征在于：所述供液管、排气管和测温管通过冻结管端口的密封钢板与冻结管焊接固定。