CN110984123B - 一种供液管外置的螺旋形液氮冻结器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型液氮冻结器及方法，适用于冻结加固施工。包括供液管和回气管，回气管为直管，供液管为螺旋结构缠绕在回气管的外侧，供液管的下端与回气管侧壁下方连同形成冻结循环，供液管上的螺旋结构为多个供液管螺旋圈，供液管螺旋圈的尺寸与冷冻孔的孔直径匹配，不同位置的供液管螺旋圈的竖向间距可根据工程需要调整，通过不同间距来控制竖向不同位置的冻结效果，实现竖向的差异冻结，满足液氮气化后体积膨胀以及不同流速的要求，实现不同冻结效果。改变了灌入循环系统的液氮流动方向，高冻结管的强度，有效解决深部高地压地层冻结时冻结管的稳定性问题，其结构简单，不同深度范围地层的冻结效果可控。
Description
技术领域
本发明涉及一种液氮冻结器及方法，尤其适用于一种冻结加固施工的供液管外置的螺旋形液氮冻结器及方法。
背景技术
地下工程建设中穿越软弱富含水复杂地层时，常采用人工冻结技术来进行地层加固，改良地层性能，以解决在含水地层中遇到的施工难题，而液氮冻结作为一种高效、省时的冻结方法，在市政地下工程中得到了广泛的应用。液氮冻结是通过气化吸收的潜热以及低温氮气与周围地层热交换而实现从地层内吸收热量的目的，由于存在气化潜热的差别，与氮气制冷相比，液氮的制冷效果更好。目前液氮冻结中使用的液氮冻结器多是参照盐水冻结时采用的常规冻结器，其构造为在钢质冻结管内部插入直径较小的供液管，构成冻结循环系统，冻结时低温液氮从供液管口灌入，经供液管流入冻结管底部吸热气化，气化后的高温氮气沿冻结管与供液管之间的环形空间向上流动，通过冻结管口排入大气，形成冻结循环。由于液氮气化后体积膨胀造成液氮在环形空间内流速大，液氮气化后的气液氮混合体顺着环形空间向上直线流动，与周围地层发生热交换的时间短，再加上地层与环形空间内气化后的氮气发生热交换，无法体现液氮气化吸收潜热的制冷作用，所以液氮冻结过程中采用的常规冻结器限制了液氮冻结的制冷效率。
为了改善液氮与地层之间的热交换效果，减少液氮与排出高温氮气之间的热交换，延长液氮与地层热交换的时间，提高液氮的冻结效率，现提出一种新型的液氮冻结器，即外置螺旋形供液管的液氮冻结器。通过将供液管缠绕在回气管的外部，使供液管直接与地层接触，液氮气化吸收的潜热直接减低周围土体的温度，而且螺旋形的供液管布置方式也改变了液氮流动方向，增加液氮与地层的热交换时间，避免液氮和高温氮气的直接热交换，从而提高液氮冻结的效率。
发明内容
本发明针对上述技术的不足之处，提供一种结构简单，有效改善液氮与地层之间的热交换效果，减少液氮与排出高温氮气之间的热交换，延长液氮与地层热交换的时间，提高液氮的冻结效率供液管外置的螺旋形液氮冻结器及方法。
为实现上述技术目的，本发明的外置螺旋形供液管的液氮冻结器，它包括供液管和回气管，其中回气管为直管，供液管为螺旋结构缠绕在回气管的外侧，供液管的下端与回气管侧壁下方连同形成冻结循环，供液管的上端设有垂直向上的供液管口，回气管的上端设有回气管口，供液管上的螺旋结构为多个供液管螺旋圈，供液管螺旋圈的尺寸与冷冻孔的孔直径匹配，不同位置的供液管螺旋圈的竖向间距可根据工程需要调整，通过不同间距来控制竖向不同位置的冻结效果，实现竖向的差异冻结，满足液氮气化后体积膨胀以及不同流速的要求，实现不同冻结效果。
所述当需要纵向深度5～10m处所需冻结壁厚度为3m，地表至地下5m所需冻结壁厚度1m，此时，即可将此螺旋形冻结器0～5m处相邻螺线圈之间间距调大，5～10m处相邻螺线圈间距调小。
所述螺旋结构的供液管侧壁与回气管的侧壁之间互不接触。
一种外置螺旋形供液管的液氮冻结器的冻结方法，其步骤在于：
根据设计尺寸和位置施工冻结孔，将供液管缠绕在回气管外部并将供液管的下端与回气管下方侧壁相互连接，在供液管与回气管之间连接的接触点进行焊接处理，保证施工过程两者结构距离不改变，而供液管也为回气管管壁提供支撑作用增加了回气管壁的强度，提高整体的稳定性；
冻结管孔完成后下入液氮冻结器，液氮冻结器的供液管的螺旋圈直径与冻结孔直径匹配相同，冻结孔后供液管紧贴冻结孔外的地层，保证冷量可以直接传递到地层中；
冻结时，将低温液氮从供液管口灌入供液管，液氮通过供液管向下流动同时与周围地层发生热量交换，实现地层冻结，不同的缠绕间距改变了地层内的供液管长度，从而改变了液氮流动的方向和在地层内的吸热时间，实现不同的冻结效果，当液氮随着供液管流动达到底端后最终气化为氮气，氮气顺着回气管回流，最终回流氮气通过回气管口排入大气中，从而完成液氮气化成氮气这一过程中的热量变换，整个循环过程中，液氮和氮气不发生直接热量交换，液氮冻结效率更高。
有益效果：
通过将供液管螺旋缠绕在回气管外部，使供液管呈螺旋形并与周围地层直接接触，提高了液氮冷量的传递效率，可以避免传统设计中供液管和回气管同时设置在一根钢管中，从而导致二者必然处于同一钢管包裹的密闭空间中，从而避免了液管和回气管必然存在的直接热量交换，减少液氮冷量损失；通过调整供液管缠绕的竖向间距和布置方式，来调整液氮流经地层的方向和时间，从而改变不同深度位置的冻结效果，实现不同地质条件下地层的差异冻结。
附图说明
图1为本发明实施例的外置螺旋形供液管的液氮冻结器的主视结构示意图。
图2为本发明实施例的外置螺旋形供液管的液氮冻结器的俯视结构示意图。
图3为本发明实施例的供液管接入回气管的断面示意图。
图4为本发明实施例的调整外置螺旋形供液管的缠绕间距后液氮冻结器的主视结构示意图。
图中：1-回气管口 2-供液管口 3-供液管 4-回气管 5-供液管螺旋圈。
具体实施方式
以下实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。
如图1和图2所示，本发明的外置螺旋形供液管的液氮冻结器，包括供液管3和回气管4，其中回气管4为直管，供液管3为螺旋结构缠绕在回气管4的外侧，所述螺旋结构的供液管3侧壁与回气管4的侧壁之间互不接触，供液管3的下端与回气管4侧壁下方连同形成冻结循环，供液管3的上端设有垂直向上的供液管口2，回气管4的上端设有回气管口1，供液管3上的螺旋结构为多个供液管螺旋圈5，供液管螺旋圈5的尺寸与冷冻孔的孔直径匹配，不同位置的供液管螺旋圈5的竖向间距可根据工程需要调整，通过不同间距来控制竖向不同位置的冻结效果，实现竖向的差异冻结，满足液氮气化后体积膨胀以及不同流速的要求，实现不同冻结效果。所述当需要纵向深度5～10m处所需冻结壁厚度为3m，地表至地下5m所需冻结壁厚度1m，此时，即可将此螺旋形冻结器0～5m处相邻螺线圈之间间距调大，5～10m处相邻螺线圈间距调小。
一种外置螺旋形供液管的液氮冻结方法，其步骤在于：
根据设计尺寸和位置施工冻结孔，将供液管3缠绕在回气管4外部并将供液管3的下端与回气管4下方侧壁相互连接，在供液管3与回气管4之间连接的接触点进行焊接处理，保证施工过程两者结构距离不改变，而供液管3也为回气管4管壁提供支撑作用增加了回气管壁的强度，提高整体的稳定性；
冻结管孔完成后下入液氮冻结器，液氮冻结器的供液管3的螺旋圈5直径与冻结孔直径匹配相同，冻结孔后供液管3紧贴冻结孔外的地层，保证冷量可以直接传递到地层中；
冻结时，将低温液氮从供液管口2灌入供液管3，液氮通过供液管3向下流动同时与周围地层发生热量交换，实现地层冻结，不同的缠绕间距改变了地层内的供液管3长度，从而改变了液氮流动的方向和在地层内的吸热时间，实现不同的冻结效果，当液氮随着供液管3流动达到底端后最终气化为氮气，氮气顺着回气管4回流，最终回流氮气通过回气管口1排入大气中，从而完成液氮气化成氮气这一过程中的热量变换，整个循环过程中，液氮和氮气不发生直接热量交换，液氮冻结效率更高。
Claims (4)
1.一种供液管外置的螺旋形液氮冻结器，其特征在于：它包括供液管（3）和回气管（4），其中回气管（4）为直管，供液管（3）为螺旋结构缠绕在回气管（4）的外侧，供液管（3）的下端与回气管（4）侧壁下方连同形成冻结循环，供液管（3）的上端设有垂直向上的供液管口（2），回气管（4）的上端设有回气管口（1），供液管（3）上的螺旋结构为多个供液管螺旋圈（5），供液管螺旋圈（5）的尺寸与冷冻孔的孔直径匹配，不同位置的供液管螺旋圈（5）的竖向间距根据工程需要调整，通过不同间距来控制竖向不同位置的冻结效果，实现竖向的差异冻结，满足液氮气化后体积膨胀以及不同流速的要求，实现不同冻结效果。
2.根据权利要求1所述的供液管外置的螺旋形液氮冻结器，其特征在于：当需要纵向深度5~10m处所需冻结壁厚度为3m，地表至地下5m所需冻结壁厚度1m，此时将此螺旋形冻结器0~5m处相邻螺线圈之间间距调大，5~10m处相邻螺线圈间距调小。
3.根据权利要求1所述的供液管外置的螺旋形液氮冻结器，其特征在于：所述螺旋结构的供液管（3）侧壁与回气管（4）的侧壁之间互不接触。
4.一种使用权利要求1所述供液管外置的螺旋形液氮冻结器的冻结方法，其特征在于步骤如下：
根据设计尺寸和位置施工冻结孔，将供液管（3）缠绕在回气管（4）外部并将供液管（3）的下端与回气管（4）下方侧壁相互连接，在供液管（3）与回气管（4）之间连接的接触点进行焊接处理，保证施工过程两者结构距离不改变，而供液管（3）也为回气管（4）管壁提供支撑作用增加了回气管壁的强度，提高整体的稳定性；
冻结管孔完成后下入液氮冻结器，液氮冻结器的供液管（3）的螺旋圈（5）直径与冻结孔直径匹配相同，冻结孔后供液管（3）紧贴冻结孔处的地层，保证冷量可以直接传递到地层中；
冻结时，将低温液氮从供液管口（2）灌入供液管（3），液氮通过供液管（3）向下流动同时与周围地层发生热量交换，实现地层冻结，不同的缠绕间距改变了地层内的供液管（3）长度，从而改变了液氮流动的方向和在地层内的吸热时间，实现不同的冻结效果，当液氮随着供液管（3）流动达到底端后最终气化为氮气，氮气顺着回气管（4）回流，最终回流氮气通过回气管口（1）排入大气中，从而完成液氮气化成氮气这一过程中的热量变换，整个循环过程中，液氮和氮气不发生直接热量交换，液氮冻结效率更高。
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