CN109763481A - 一种竖向分仓冻结的液氮冻结器及加工方法 - Google Patents

Abstract

一种竖向分仓的液氮冻结器及使用方法，适用于地下工程中的人工冻结技术领域。包括柱状结构的冻结管，冻结管底部设有冻结管底锥，冻结管内设有供液管，供液管侧壁上设有多个喷液孔，供液管底部密封且设有小喷液孔，供液管一侧设有出气管，冻结管内壁设有与肋板数量、位置匹配的冻结管内滑槽，每条冻结管内滑槽与供液管外壁之间设有竖向的肋板，肋板宽度尺寸可调，可以精确控制供液管在冻结管内的位置，从喷液孔喷出的液氮在肋板间独立气化，通过调节喷液量就可以控制不同位置的冻结效果，使冻结管外部不同方位的冻土发展范围得到精确控制，实现提高冻结质量，节约液氮使用量，减少冻结时间，控制冻胀量的目的，而且制作简单、工艺性能好。

Description

一种竖向分仓冻结的液氮冻结器及加工方法

技术领域

本发明涉及一种竖向分仓冻结的液氮冻结器及加工方法，尤其适用于地下工程中的人工冻结技术领域使用的竖向分仓冻结的液氮冻结器。

背景技术

人工冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水冻结，把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行施工。常用的冻结方法有两种，一种是盐水冻结，另一种是液氮冻结，两种方法各有优缺点，在抢险施工中常用液氮快速冻结。用液氮作为冷冻剂可以达到普通冻结难以达到的低温，实现快速冻结的目的。在需要冻结的地层中预先打好钻孔，在钻孔中放入专用冻结器，液氮在专用的冻结器中蒸发，大量带走冻结器周围土层中的热量，使得土层急速冻结，其冻结速度是普通盐水冻结10倍以上。冻结器是液氮冻结过程中的关键部件，其一般由冻结管和布置在冻结管内部的供液管组成，实现液氮和气化后的氮气的循环。由于冻结管内部的供液管尺寸小，在冻结管内部的位置无法准确控制，所以冻结管内部的液氮分布和气化过程控制难度较大，冻结管周围的冻土发展无法精确控制，造成液氮冻结形成的冻结壁均匀性较差。

发明内容

本发明专利的目的是提供一种竖向分仓冻结的液氮冻结器及加工方法，使冻结管外壁不同位置的效果得到准确的控制，形成的冻土范围合理有效，减少设计范围外不必要的冻土区域，从而达到提高冻结质量，节约液氮使用量，减少冻结时间，控制冻结过程中的冻胀量。

为实现上述目的，本发明的冻结器由冻结管，包括柱状结构的冻结管，冻结管底部设有尺寸匹配的冻结管底锥，冻结管内轴向设有贯通整个冻结管的供液管，供液管侧壁上设有多个喷液孔，供液管底部密封且设有小喷液孔，冻结管顶部供液管的一侧设有连同冻结管里外的出气管，所述冻结管内壁上轴向设有与肋板数量、位置匹配的冻结管内滑槽，每条冻结管内滑槽与供液管外壁之间设有竖向的肋板，肋板沿供液管长度方向布置，肋板冻结管内滑槽连接侧边缘变薄处理，与边缘变薄处理，方便肋板插入冻结管内滑槽内，通过多块肋板将冻结管与供液管之间的密封空间分割成大小的分仓，从喷射孔喷液孔喷出的液氮在肋板与肋板之间的分仓区域气化，吸收外部土体的热量，从而使这部分的区域冻结的更加均匀，从而整个冻结管冻得更加均匀。

喷射孔的开孔方式是在竖向肋板与肋板之间的供液管上等间距成列设置，喷射孔的列数与肋板的个数相等。

所述的供液管壁上竖向肋板为三块，肋板的宽度可变，根据需要肋板为矩形或者梯形，通过调整三块内板的宽度即可调整调整供液管在冻结管内的位置，同时调节分仓的尺寸，控制冻结管分仓内的液氮气化效果。

一种竖向分仓冻结的液氮冻结器的使用方法，其步骤如下

第一步，根据实际需要调节供液管壁上竖向肋板的宽度，从而调整供液管在冻结管内的位置；

第二步，在供液管一端安装封堵，将肋板安装在供液管上，以设有封堵为头部将设有肋板的供液管沿着冻结管内的滑槽滑入冻结管内，在冻结管下方密封安装下密封板，下密封板安装冻结管底锥，在上密封板与供液管匹配处开孔、并在供液管一侧开通气孔，将上密封板密封安装在冻结管上方，再通气孔中安装固定出气管；

第三步，以供液管安装有冻结管底锥的一端为头部设置在需要冷冻的土层区域，当进行冻结时，将液氮通入供液管液氮通过沿供液管上的多个喷液孔喷出，通过多个喷液孔喷出形式使液氮在肋板之间气化，气体最终从出气管排出，如此循环等待周围土体冻结。

通过调节供液管壁上竖向肋板的宽度，从而调整供液管在冻结管内的位置的调整方法为：当预设冻结管的左侧土体强度高含水率小，冻结管的右侧是砂层，含水率大时，在实际冻结时就需要右侧冻结的厚度左侧冻结的厚度，此时在冻结管左右两侧设置的喷液孔数量和可口尺寸与冰层冻结需要匹配设置，即供液管右侧布置的喷液孔多于左侧，而此时左侧的肋板设置的宽度大于右侧肋板的宽度，此时冻结管内空间中右侧液氮的容量大于左侧液氮的容量，所以冻结时冻结的厚度右侧比左侧大。

在供液管上设置的喷液孔开孔为等间距的从上往下开孔，或者为不等间距的从上往下距离依次增大，或者为是从上往下锯齿状形开孔，液氮的注射量为：通-100度，-160度，-200度的，由于地下土纵向和横向分布是不均匀的，土体的含水率也不一样，通过调整供液管上设置的肋板位置以及宽度可以使土体冻结更均匀。

有益效果：

1.在供液管上布置不同数量的竖向肋板，竖向肋板沿供液管长度方向布置，肋板边缘变薄处理，方便插入冻结管内部的卡槽内，将冻结管内部分割成不同分仓。从而使液氮在分仓内气化，产生相对均匀的气液两相流。

2.在供液管上布置不同数量的竖向肋板，竖向肋板沿供液管长度方向布置，肋板边缘变薄处理，方便插入冻结管内部的卡槽内，将冻结管内部分割成不同分仓；由于肋板将冻结管进行分块，开孔的数量和位置，液氮的射入量，肋板长度的改变使得供液管和冻结管的位置可以发生改变，从而液氮在分仓内气化，产生比较均匀的冻结效果。

3.供液管壁上竖向肋板在生产加工的时候根据需求加工相应的规格，从而可以调整供液管在冻结管内的位置，调节分仓的尺寸，控制冻结管分仓内的液氮气化效果。

附图说明

图1是本发明竖向分仓冻结的液氮冻结器示意图。

图2是本发明竖向分仓冻结的液氮冻结器1-1剖面图。

图3是本发明竖向分仓冻结的液氮冻结器局部示意图。

图4是本发明竖向分仓冻结的液氮冻结器肋板宽度变化示简图。

图中:冻结管-1，供液管-2，喷液孔-3，肋板-4，封堵-5，下密封板-6，冻结管底锥-7，上密封板-8，出气管-9，冻结管内滑槽-10。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例做进一步说明

如图1所示，本发明的竖向分仓冻结的液氮冻结器，包括柱状结构的冻结管1，冻结管1底部设有尺寸匹配的冻结管底锥7，冻结管1内轴向设有贯通整个冻结管1的供液管2，供液管2侧壁上设有多个喷液孔3，供液管2底部密封且设有小喷液孔5，冻结管1顶部供液管2的一侧设有连同冻结管1里外的出气管9，如图2所示，所述冻结管1内壁上轴向设有与肋板4数量、位置匹配的冻结管内滑槽10，每条冻结管内滑槽10与供液管2外壁之间设有竖向的肋板4，肋板4沿供液管2长度方向布置，肋板4冻结管内滑槽10连接侧边缘变薄处理，与边缘变薄处理，方便肋板4插入冻结管内滑槽10内，通过多块肋板4将冻结管1与供液管2之间的密封空间分割成大小的分仓，如图3所示，所述的供液管2壁上竖向肋板4为三块，肋板4的宽度可变，根据需要肋板4为矩形或者梯形，通过调整三块内板4的宽度即可调整调整供液管2在冻结管1内的位置，同时调节分仓的尺寸，控制冻结管1分仓内的液氮气化效果；从喷射孔喷液孔3喷出的液氮在肋板4与肋板4之间的分仓区域气化，吸收外部土体的热量，从而使这部分的区域冻结的更加均匀，从而整个冻结管2冻得更加均匀。

如图4所示，喷射孔3的开孔方式是在竖向肋板4与肋板4之间的供液管2上等间距成列设置，喷射孔3的列数与肋板4的个数相等。

一种液氮冻结器的使用方法，其步骤如下

第一步，根据实际需要调节供液管2壁上竖向肋板4的宽度，从而调整供液管2在冻结管1内的位置；

第二步，在供液管2一端安装封堵5，将肋板4安装在供液管2上，以设有封堵5为头部将设有肋板4的供液管2沿着冻结管1内的滑槽10滑入冻结管内，在冻结管1下方密封安装下密封板6，下密封板6安装冻结管底锥7，在上密封板8与供液管2匹配处开孔、并在供液管2一侧开通气孔，将上密封板8密封安装在冻结管1上方，再通气孔中安装固定出气管9；

第三步，以供液管2安装有冻结管底锥7的一端为头部设置在需要冷冻的土层区域，当进行冻结时，将液氮通入供液管2液氮通过沿供液管(2)上的多个喷液孔(3)喷出，通过多个喷液孔(3)喷出形式使液氮在肋板(4)之间气化，气体最终从出气管(9)排出，如此循环等待周围土体冻结。

通过调节供液管2壁上竖向肋板4的宽度，从而调整供液管2在冻结管1内的位置的调整方法为：当预设冻结管1的左侧土体强度高含水率小，冻结管1的右侧是砂层，含水率大时，在实际冻结时就需要右侧冻结的厚度左侧冻结的厚度，此时在冻结管1左右两侧设置的喷液孔3数量和可口尺寸与冰层冻结需要匹配设置，即供液管2右侧布置的喷液孔3多于左侧，而此时左侧的肋板4设置的宽度大于右侧肋板4的宽度，此时冻结管1内空间中右侧液氮的容量大于左侧液氮的容量，所以冻结时冻结的厚度右侧比左侧大。

在供液管2上设置的喷液孔3开孔为等间距的从上往下开孔，或者为不等间距的从上往下距离依次增大，或者为是从上往下锯齿状形开孔，液氮的注射量为：通-100度，-160度，-200度的，由于地下土纵向和横向分布是不均匀的，土体的含水率也不一样，通过调整供液管2上设置的肋板4位置以及宽度可以使土体冻结更均匀。

Claims (6)

1.一种竖向分仓冻结的液氮冻结器及加工方法，其特征在于：它包括柱状结构的冻结管(1)，冻结管(1)底部设有尺寸匹配的冻结管底锥(7)，冻结管(1)内轴向设有贯通整个冻结管(1)的供液管(2)，供液管(2)侧壁上设有多个喷液孔(3)，供液管(2)底部密封且设有小喷液孔(5)，冻结管(1)顶部供液管(2)的一侧设有连同冻结管(1)里外的出气管(9)，所述冻结管(1)内壁上轴向设有与肋板(4)数量、位置匹配的冻结管内滑槽(10)，每条冻结管内滑槽(10)与供液管(2)外壁之间设有竖向的肋板(4)，肋板(4)沿供液管(2)长度方向布置，肋板(4)冻结管内滑槽(10)连接侧边缘变薄处理，与边缘变薄处理，方便肋板(4)插入冻结管内滑槽(10)内，通过多块肋板(4)将冻结管(1)与供液管(2)之间的密封空间分割成大小的分仓，从喷射孔喷液孔(3)喷出的液氮在肋板(4)与肋板(4)之间的分仓区域气化，吸收外部土体的热量，从而使这部分的区域冻结的更加均匀，从而整个冻结管(2)冻得更加均匀。

2.根据权利要求1竖向分仓冻结的液氮冻结器，其特征在于：喷射孔(3)的开孔方式是在竖向肋板(4)与肋板(4)之间的供液管(2)上等间距成列设置，喷射孔(3)的列数与肋板(4)的个数相等。

3.根据权利要求1竖向分仓冻结的液氮冻结器，其特征在于：所述的供液管(2)壁上竖向肋板(4)为三块，肋板(4)的宽度可变，根据需要肋板(4)为矩形或者梯形，通过调整三块内板(4)的宽度即可调整调整供液管(2)在冻结管(1)内的位置，同时调节分仓的尺寸，控制冻结管(1)分仓内的液氮气化效果。

4.一种使用权利要求1所述竖向分仓冻结的液氮冻结器的使用方法，其特征在于步骤如下

第一步，根据实际需要调节供液管(2)壁上竖向肋板(4)的宽度，从而调整供液管(2)在冻结管(1)内的位置；

第二步，在供液管(2)一端安装封堵(5)，将肋板(4)安装在供液管(2)上，以设有封堵(5)为头部将设有肋板(4)的供液管(2)沿着冻结管(1)内的滑槽(10)滑入冻结管内，在冻结管(1)下方密封安装下密封板(6)，下密封板(6)安装冻结管底锥(7)，在上密封板(8)与供液管(2)匹配处开孔、并在供液管(2)一侧开通气孔，将上密封板(8)密封安装在冻结管(1)上方，再通气孔中安装固定出气管(9)；

第三步，以供液管(2)安装有冻结管底锥(7)的一端为头部设置在需要冷冻的土层区域，当进行冻结时，将液氮通入供液管(2)液氮通过沿供液管(2)上的多个喷液孔(3)喷出，通过多个喷液孔(3)喷出形式使液氮在肋板(4)之间气化，气体最终从出气管(9)排出，如此循环等待周围土体冻结。

5.根据权利要求4所述的使用方法，其特征在于：通过调节供液管(2)壁上竖向肋板(4)的宽度，从而调整供液管(2)在冻结管(1)内的位置的调整方法为：当预设冻结管(1)的左侧土体强度高含水率小，冻结管(1)的右侧是砂层，含水率大时，在实际冻结时就需要右侧冻结的厚度左侧冻结的厚度，此时在冻结管(1)左右两侧设置的喷液孔(3)数量和喷射孔的大小与冰层冻结需要匹配设置，即供液管(2)右侧布置的喷液孔(3)多于左侧，而此时左侧的肋板(4)设置的宽度大于右侧肋板(4)的宽度，此时冻结管(1)内空间中右侧液氮的容量大于左侧液氮的容量，所以冻结时冻结的厚度右侧比左侧大。

6.根据权利要求4或5所述的使用方法，其特征在于：在供液管(2)上设置的喷液孔(3)开孔为等间距的从上往下开孔，或者为不等间距的从上往下距离依次增大，或者为是从上往下锯齿状形开孔，液氮的注射量为：通-100度，-160度，-200度的，由于地下土纵向和横向分布是不均匀的，土体的含水率也不一样，通过调整供液管(2)上设置的肋板(4)位置以及宽度可以使土体冻结更均匀。