CN110055951A - 自发电式电渗固结软土地基装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自发电式电渗固结软土地基装置，包括若干阳极装置和若干阴极装置，所述阳极装置及阴极装置置于软土地中，并按六边形进行排列分布，太阳能作用为实现日照强度不同对电渗阴阳极进行间歇性通电。电解装置将聚集的水分电解成氢气，氢气发电装置将氢能转化为机械能在转化为电能，集电装置将太阳能与氢能得到的电能集中在一起为电解与电渗提供能量，从而实现装置的自发电，并且固结所述的软土地基。
Description
技术领域
本发明涉及自发电式电渗固结软土地基装置。
背景技术
俄国学者Reuss于1809年首先发现了电渗现象：将一电位差施加在有孔介质中，其孔隙水将通过毛细管流向阴极；若切断了电流，孔隙水的流动也立即停止。1939年，Casagrande首次将电渗成功地应用到德国某铁路挖方边坡工程中，在地基中施加外加电场，将土中孔隙水逐渐运移到阴极并排出,以达到使地基排水固结、强度提高的效果。此后，电渗法被尝试应用于不同类型的工程，如地基加固、堤坝稳定性、提高桩基的承载力、电动注浆等。研究发现，电渗固结的原理主要由两个：首先，通过外加电场引起孔隙水渗流，使土体排水固、。结，强度提高；其次，电场作用下土体中发生一系列物理化学反应，如电极氧化还原反应、离子交换与迁移、胶结作用等，这些反应过程会进一步提高土体强度。另外，软黏土的电渗透系数主要维持在.s),这个特性使得电渗法在处理渗透系数低的软粘土地基时具有非常好的效果。
电渗法在应用过程中会消耗大量电能,导致电渗成为一种成本较高的软土地基处理方法。而且,电渗法主要应用于渗透系数较小、强度低的软粘土地基中,这些场地大多分布在我国沿海地区,并且多集中于我国南部,很多都远离城市,较为偏远。为了利用电渗法对这些软土地基进行处理,需要将配套设施运输到这些场地,并且需要搭设电线,将电能输送到需要处理的场地,这些沿程设施费用、运输费用以及电能输送损耗,进一步增加了电渗法的成本。俄国学者Reuss于1809年首先发现了电渗现象：将一电位差施加在有孔介质中，其孔隙水将通过毛细管流向阴极；若切断了电流，孔隙水的流动也立即停止。1939年，Casagrande首次将电渗成功地应用到德国某铁路挖方边坡工程中，在地基中施加外加电场，将土中孔隙水逐渐运移到阴极并排出,以达到使地基排水固结、强度提高的效果。此后，电渗法被尝试应用于不同类型的工程，如地基加固、堤坝稳定性、提高桩基的承载力、电动注浆等。研究发现，电渗固结的原理主要由两个：首先，通过外加电场引起孔隙水渗流，使土体排水固结，强度提高；其次，电场作用下土体中发生一系列物理化学反应，如电极氧化还原反应、离子交换与迁移、胶结作用等，这些反应过程会进一步提高土体强度。另外，软黏土的电渗透系数主要维持在.s),这个特性使得电渗法在处理渗透系数低的软粘土地基时具有非常好的效果。
电渗法在应用过程中会消耗大量电能,导致电渗成为一种成本较高的软土地基处理方法。而且,电渗法主要应用于渗透系数较小、强度低的软粘土地基中,这些场地大多分布在我国沿海地区,并且多集中于我国南部,很多都远离城市,较为偏远。为了利用电渗法对这些软土地基进行处理,需要将配套设施运输到这些场地,并且需要搭设电线,将电能输送到需要处理的场地,这些沿程设施费用、运输费用以及电能输送损耗,进一步增加了电渗法的成本。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种自发电式电渗固结软土地基装置，
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种自发电式电渗固结软土地基装置，包括若干阳极装置和若干阴极装置，所述若干阳极装置和阴极装置在软土地基中规律排布，其特征在于：它还包括太阳能发电装置、集电装置、电解装置和氢气发电装置；所述每个阴极装置上设有若干通孔且其内部设有电解装置；所述太阳能发电装置和氢气发电装置均与集电装置连接并为其提供电能，所述集电装置的负极与若干阴极装置连接，集电装置的正极与若干阳极装置连接。
所述的自发电式电渗固结软土地基装置，其特征在于：所述若干阳极装置和若干阴极装置排布形成多个六边形单元，每个六边形单元包括六个阴极装置和一个位于六个阴极装置中心的阳极装置，且任意两个相邻的阳极装置和阴极装置之间的距离相同，该距离为0.5-3米。
所述的自发电式电渗固结软土地基装置，其特征在于：所述阳极装置为长条状结构，且采用金属材料制成。
所述的自发电式电渗固结软土地基装置，其特征在于：所述阳极装置为管状、柱状或线状结构，其采用铁、铜或合金制成。
所述的自发电式电渗固结软土地基装置，其特征在于：所述阴极装置结构为中空管状结构，且其管壁设有多个通孔，阴极装置内还设有导电滤布，所述导电滤布包裹在电解装置外部。
所述的自发电式电渗固结软土地基装置，其特征在于：所述导电滤布和阴极装置均为多孔镍镀层包裹的钢筋，且导电滤布与阴极装置之间为绝缘状态。
所述的自发电式电渗固结软土地基装置，其特征在于：所述电解装置内设有石墨电极，其位于阴极装置中空管状结构中，通过电解，产生氢气作为氢气发电机的燃料。
所述的自发电式电渗固结软土地基装置，其特征在于：所述太阳能发电装置包括太阳能电池板、蓄电池和追日云台，太阳能电池板和蓄电池设于追日云台上，太阳能电池板通过追日云台调整其方位角和俯仰角以使太阳光垂直于太阳能电池板上。
所述的自发电式电渗固结软土地基装置，其特征在于：还包括氢氧分离室，电解装置的阳极产生的氧气和电解装置的阴极产生的氢气混合后进入氢氧分离室使氢气和氧气分离。
所述的自发电式电渗固结软土地基装置，其特征在于：所述氢气发电装置包括与所述氢氧分离室依次连接的氢气过滤装置、氢气反应室和发电室，经过氢氧分离室后分离出的氧气进入氢气反应室，经过氢氧分离室后分离出的氢气进入氢气过滤装置后进入氢气反应室与氧气形成饱和水蒸汽，所述氢气反应室内有过热器，饱和水蒸汽在过热器内加热后形成过热蒸汽并进入发电室，所述发电室内设有汽轮机、联轴器、发电机，汽轮机与发电机的转子通过联轴器连接，发电机内部的冷却装置包括循环水、风冷器和冷油器。
本发明的有益效果是：利用太阳能实现对软土地基的电渗处理；利用电渗过程中电解产生的氢气，经净化纯净之后至氢氧发电机内，产生电流，提供给电渗固结过程中电能；本装置无需从额外提供电源,使固结软土地基的方法成本大幅度降低同时,该太阳能电渗固结软土地基的装置可以利用太阳能与日照强度的关系实现间歇通电,对软土地基间歇电渗处理,具有较高的电渗效率。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
图1是本发明实施例所提供的在处理软土地基时的施工结构俯视示意图。
图2是图1的竖直剖面图。
图3是阴极装置电解产生氢气收集的管线图。
图4是氢气发电机工作示意图。
图5是总流程图。
图中，软土地基10，太阳能电池板11，蓄电池12，追日云台13，集电装置14，阳极装置21，阴极装置22，中空管状结构23，电解装置24，石墨电极25，氢氧分离室26，氢气发电装置27，氢气过滤室28，氢气反应室29，发电室30，过热器31，循环水32、风冷器33、冷油器34，汽轮机35，联轴器36，发电机37。
具体实施方式
如图1-5所示：一种自发电式电渗固结软土地基装置，包括若干阳极装置21和若干阴极装置22，所述若干阳极装置21和阴极装置22在软土地基10中规律排布，还包括太阳能发电装置、集电装置14、电解装置24和氢气发电装置27；所述每个阴极装置22上设有若干通孔且其内部设有电解装置24；所述太阳能发电装置和氢气发电装置均与集电装置连接并为其提供电能，太阳能发电装置可以根据日照强度的不同对集电站进行间歇通电，所述集电装置14的负极与若干阴极装置22连接，集电装置14的正极与若干阳极装置21连接，集电站亦间歇式对阳极装置21和阴极装置22进行通电，以固结软土地基10。
进一步的，所述若干阳极装置21和若干阴极装置22排布形成多个六边形单元，每个六边形单元包括六个阴极装置22和一个位于六个阴极装置22中心的阳极装置21，且任意两个相邻的阳极装置21和阴极装置22之间的距离相同，该距离为0.5-3米。
进一步的，所述阳极装置21为长条状结构，且采用金属材料制成，通电后阳极装置21产生氧气。
进一步的，所述阳极装置21为管状、柱状或线状结构，其采用铁、铜或合金制成。
在本实施例中，阳极装置21为钢筋，钢筋表面为多孔镍镀层，具有较高的比表面积和强催化活性，且在比较负的电位下工作,往往可以起到阴极保护作用，腐蚀性较小。钢筋的长度由软土地基10的深度和排水深度决定。阳极埋设时，采用75mm旋叶式电钻钻孔埋设，钻孔时加水和高压空气循环排泥，阴极装置22就位后，利用下一钻孔排出的泥浆倒灌填孔，使得阳极装置21与土壤接触良好，减少电阻，以利于电渗。如果阳极装置21深度不大，可以采用锤击法打入。
进一步的，所述阴极装置22结构为中空管状结构23，且其管壁设有多个通孔，阴极装置22内还设有导电滤布，所述导电滤布包裹在电解装置24外部，通电后阴极装置22产生氢气。
进一步的，所述导电滤布和阴极装置22均为多孔镍镀层包裹的钢筋，且导电滤布与阴极装置22之间为绝缘状态。
本实施例中，电渗系统的阴极装置22为一中空管状结构23，且管壁周围设有多个通孔。所述阴极装置中空管状结构与集电装置14负电极相连接，其材料多为铜或铁等金属。在电渗的过程中，软土中靠近阳极装置21的水分将会在电场的作用下，逐渐向阴极装置22的方向转移，从而在阴极装置22附近会收集大量软土中的水分。水分将会通过电渗井点表面通孔进入阴极中空管状结构23，并且储存在井点的电解装置24中。中空管状的通孔多为2厘米左右，其排列方式及通孔个数不做具体限制，满足中空管状结构23具有良好的透水性能即可。管井的外径不限，可以为2厘米至20厘米不等，根据工程规模以及排水量确定其外径大小。另外，阴极装置22的长度不限，可以根据处理的软土地基10的深度来进行确定。在阴极装置22埋设之前，使用导电滤布将电解装置24包裹，然后将导电滤布包裹电解装置24后的阴极装置22采用套管法进行埋设入软土地基10中。导电滤布的作用为防止软土地基10内的土质通过阴极装置22上的通孔渗入电解装置中，影响电解效率。本实施例中，阴极装置22采用的材料为多孔镍镀层包裹的钢筋，且导电滤布与阴极装置22之间为绝缘状态。
进一步的，所述电解装置内设有石墨电极25，中空管状结构23所收集得到的水分通入直流电进行电解，水分子在石墨电极25上发生电化学反应，通电阳极产生氧气，阴极产生氢气，氢气进入气进入氢/氧分离器26。
电解装置24的主要作用为对中空管状结构所收集得到的水分通入直流电进行电解，水分子在石墨电极25上发生电化学反应，通电阳极产生氧气，阴极产生氢气，混合气体进入气进入氢/氧分离器26。经过氢/氧分离器26的作用，将氢气和水分离。电解反应所得氢气进入氢/水分离器除湿后，经稳压阀、调节阀调整到额定压力(0.02～0.45Mpa可调)由出口输出。电解装置的产氢压力由传感器控制在0.45Mpa左右，当压力达到设定值时，电解装置24电源供应切断；压力下降，低于设定值时电源恢复供电。
进一步的，还包括氢氧分离室26，阳极装置21产生的氧气和阴极装置22产生的氢气混合后进入氢氧分离室使氢气和氧气分离。
进一步的，所述氢气发电装置27包括与所述氢氧分离室26依次连接的氢气过滤室28、氢气反应室29和发电室30，经过氢氧分离室后分离出的氧气进入氢气反应室，经过氢氧分离室后分离出的氢气进入氢气过滤装置后进入氢气反应室与氧气形成饱和水蒸汽，所述氢气反应室内有过热器31，饱和水蒸汽在过热器内加热后形成过热蒸汽并进入发电室30，所述发电室内设有汽轮机35、联轴器36、发电机37，汽轮机与发电机37的转子通过联轴器36连接，发电机37内部的冷却装置包括循环水32、风冷器33和冷油器34；
氢气发电装置27，经氢气过滤器过滤所得到的高纯度氢气，在氢气反应室29内发生反应，形成具有高势能的过热水蒸气，使发电机内汽轮机35开始工作，完成热势能-机械能-电能的转化，最终电能输入至集电装置14当中，为电渗如电解提供电能，实现整个系统的自发电的电渗固结软土地基10。
氢气发电装置27主要由氢气过滤装置28、氢气反应室29与发电室30三部分组成。经过干燥器除湿后的干燥的氢气将会进入氢气过滤装置28，通过过滤器的作用得到高纯度氢气。本实施例中，采用中惠普氢气过滤机，得到高纯度的氢气。高纯度的氢气运输至氢气反应室29内部，氢气在加热的状态，与过滤后的氧气发生反应，产生巨大的能量，形成饱和的水蒸气。饱和蒸汽在过热器31中继续吸热，成为过热蒸汽。过热蒸汽具有很高的压力和温度，因此具有很大的热势能。具有热势能的过热蒸汽经管道引入汽轮机35后，便将热势能转变成动能。高速流动的蒸汽推动汽轮机转子转动，形成机械能。汽轮机的转子与发电机37的转子通过连轴器36联在一起。当汽轮机转子转动时便带动发电机转子转动，利用电磁感应原理，当发电机转子旋转时，磁场也是旋转的，发电机定子内的导线就会切割磁力线感应产生电流。这样，发电机便把汽轮机35的机械能转变为电能。电能经变压器将电压升压后，由输电线送至集电站中，保证电渗固结的进行。发电机内部的冷却装置由循环水32、风冷器33、冷油器34组成。循环水33为冷却装置的媒介，风冷器是发电机配套使用的冷却装置。冷油器是汽轮机配套使用的透平油冷却设备，冷油器为光管表面式，采用循环水作为介质实现热交换，从而保证汽轮机轴承入口达到规定值，确保机组正常运行。
所述太阳能发电装置包括太阳能电池板11、蓄电池12和追日云台13，太阳能电池板11和蓄电池12设于追日云台13上，太阳能电池板11通过追日云台调整其方位角和俯仰角以使太阳光垂直于太阳能电池板11上。
Claims (10)
1.一种自发电式电渗固结软土地基装置，包括若干阳极装置和若干阴极装置，所述若干阳极装置和阴极装置在软土地基中规律排布，其特征在于：它还包括太阳能发电装置、集电装置、电解装置和氢气发电装置；所述每个阴极装置上设有若干通孔且其内部设有电解装置；所述太阳能发电装置和氢气发电装置均与集电装置连接并为其提供电能，所述集电装置的负极与若干阴极装置连接，集电装置的正极与若干阳极装置连接。
2.根据权利要求1所述的自发电式电渗固结软土地基装置，其特征在于：所述若干阳极装置和若干阴极装置排布形成多个六边形单元，每个六边形单元包括六个阴极装置和一个位于六个阴极装置中心的阳极装置，且任意两个相邻的阳极装置和阴极装置之间的距离相同，该距离为0.5-3米。
3.根据权利要求2所述的自发电式电渗固结软土地基装置，其特征在于：所述阳极装置为长条状结构，且采用金属材料制成。
4.根据权利要求3所述的自发电式电渗固结软土地基装置，其特征在于：所述阳极装置为管状、柱状或线状结构，其采用铁、铜或合金制成。
5.根据权利要求2所述的自发电式电渗固结软土地基装置，其特征在于：所述阴极装置结构为中空管状结构，且其管壁设有多个通孔，阴极装置内还设有导电滤布，所述导电滤布包裹在电解装置外部。
6.根据权利要求5所述的自发电式电渗固结软土地基装置，其特征在于：所述导电滤布和阴极装置均为多孔镍镀层包裹的钢筋，且导电滤布与阴极装置之间为绝缘状态。
7.根据权利要求2所述的自发电式电渗固结软土地基装置，其特征在于：所述电解装置内设有石墨电极，其位于阴极装置中空管状结构中，通过电解，产生氢气作为氢气发电机的燃料。
8.根据权利要求2所述的自发电式电渗固结软土地基装置，其特征在于：所述太阳能发电装置包括太阳能电池板、蓄电池和追日云台，太阳能电池板和蓄电池设于追日云台上，太阳能电池板通过追日云台调整其方位角和俯仰角以使太阳光垂直于太阳能电池板上。
9.根据权利要求2所述的自发电式电渗固结软土地基装置，其特征在于：还包括氢氧分离室，电解装置的阳极产生的氧气和电解装置的阴极产生的氢气混合后进入氢氧分离室使氢气和氧气分离。
10.根据权利要求2所述的自发电式电渗固结软土地基装置，其特征在于：所述氢气发电装置包括与所述氢氧分离室依次连接的氢气过滤装置、氢气反应室和发电室，经过氢氧分离室后分离出的氧气进入氢气反应室，经过氢氧分离室后分离出的氢气进入氢气过滤装置后进入氢气反应室与氧气形成饱和水蒸汽，所述氢气反应室内有过热器，饱和水蒸汽在过热器内加热后形成过热蒸汽并进入发电室，所述发电室内设有汽轮机、联轴器、发电机，汽轮机与发电机的转子通过联轴器连接，发电机内部的冷却装置包括循环水、风冷器和冷油器。
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