CN115030131A - 基于热管的人工地层冻结装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于热管的人工地层冻结装置和方法，包括储能装置、相变装置、散气装置和热管冻结系统，工作原理如下：储能装置用于储存液态冷媒剂；液态冷媒剂从储能装置流入相变装置，并在相变装置中发生相变，成为气态冷媒剂；气态冷媒剂将冷量传输给热管冻结系统，相变装置内部的温度逐渐升高；当相变装置内部的温度升高至不符合冻结要求时，气态冷媒剂通过散气装置排走。本发明用热管代替了循环巨量冷媒剂的传统冻结管，解决了传统冻结管循环冷媒剂泄露风险；研发可控式供冷系统，使得供冷冷媒剂在冻结系统外发生相变，解决了气态冷媒剂在管内相变造成的不稳地温度以及传统冻结法存在的冷量浪费问题，达到了低温下冻土帷幕均匀发展的目的。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，尤其是涉及一种基于热管的人工地层冻结装置和方法。
背景技术
地上结构工程(如房屋、桥梁等)其周边介质为空气。与地上结构不同，地下结构周边介质是岩土体。岩土体是由气、水、固等组成的三相混合物。地下水，是地下结构施工和运营中最常见、风险最大的影响因素，甚至决定了工程的成功与失败。为了减小或阻断地下水的影响，一般采用某种方法(如旋喷桩、MJS桩等)对岩土体进行加固处理。但这些方法的隔水效果并不能达到万无一失，尤其是在富水、高压富水等地层，容易引发安全事故。
为了解决上述方法的安全隐患，人工地层冻结法发展起来了。人工地层冻结法又称冻结法，是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，将天然岩土变成冻土，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地下工程掘砌施工的特殊施工技术。人工地层冻结法利用土体中温度传播的均匀性特质，采用人工制冷方法实现土体的均匀性冻结，达到了完全封水和强度均匀的目的，被称为“保护地下工程安全的最后一道菜”，已经被广泛应用于国内外重大关键工程中，比如隧道进出洞、联络通道施工、港珠澳隧道工程等项目。
人工地层冻结法的基本原理是将薄壁空心金属结构的冻结管插入岩土体中，然后让冷媒剂在冻结管内循环流动，使得岩土体逐渐降温冻结。根据冷媒剂的不同，目前人工地层冻结法分为两类：盐水冻结法和液氮冻结法。冻结管内流动介质为冷盐水的，称之为盐水冻结法；冻结管内流动介质为液氮或气体氮气的，称之为液氮冻结法。
盐水冻结法的原理如附图2所示，包括三大系统：(1)冷媒剂循环系统。冻结管插入岩土体中，低温盐水流入冻结管内，吸收岩土体的热量，变成高温盐水，同时使得岩土体降温逐渐形成冻土；(2)制冷循环系统。高温盐水流动至蒸发器中，与液氨等介质发生热交换，重新变成低温盐水；液氨等介质吸热发生相变汽化，变成低温低压的蒸汽氨；(3)冷却塔系统。低温低压饱和蒸汽氨经过压缩机变成高温高压氨气，再经过冷却塔系统冷却，经由节流阀将低温液氨输入蒸发皿中。盐水冻结法以传输系统和冻结管内循环巨量冷媒剂的制冷方式，在冻结管表面上提供了较为均匀稳定的冻结温度，进而能够形成均匀发展的冻土帷幕(岩土体冻结后，形成了具有较强封水性能和强度的冻土，将地下结构包裹起来，形成“帷幕效果”，称之为冻土帷幕)。但是，盐水冻结法存在三个问题：(1)冷媒剂温度较高(一般为-30℃左右)，存在冻结效率低的问题；(2)为了保障冻结管长度方向的冷媒剂温度一致性，制冷系统必须时刻高效运转，使进出口冷媒剂温差需要控制在0.5℃～1℃，产生了冷量浪费的问题；(3)冻结管接口密封处一旦开裂，大量冷媒剂泄露入土体会造成整个工程冻结失效。即以循环巨量冷媒剂为制冷方式的盐水冻结法，可以有效控制冻土帷幕性状质量，但是存在冻结效率低，以及冷量浪费高、冷媒泄露的风险。
液氮冻结法的原理如附图3所示：液氮槽车将液氮送入储氮罐；储氮罐内的液氮经由连接管道系统进入冻结管；冻结管内的液氮吸收岩土体的热量，发生相变汽化，从冻结管的一端冒出。同时，岩土体降温形成冻土。液氮冻结法以巨量超低温液氮自由相变气化的制冷方式，提供了超低温度(最低-196℃)，极大的提高了冻结效率。但是，液氮冻结法存在以下三个问题：(1)液氮在小直径冻结管内的自由相变气化具有不可控性，不能在冻结管表面上提供均匀稳定的冻结温度，进而影响了冻土帷幕均匀性发展；(2)巨量液氮气化自由排除的气体仍然具有超低温度(-60℃～-80℃)，存在大量冷量浪费的问题；(3)巨量液氮气化后体积增长696倍，存在窒息和冻伤风险。即，以巨量超低温液氮自由气化为制冷方式的液氮冻结法，提高了冻结效率，但是存在冻土帷幕性状质量难以控制，以及冷量浪费、冷媒泄露的风险。
综上所述，以巨量冷媒剂为制冷方式的盐水冻结法和液氮冻结法，存在冻结效率与冻土帷幕性状质量控制的矛盾，都存在冷量浪费、冷媒剂泄露的风险。
发明内容
针对目前人工地层冻结法需要在冻结管内循环巨量冷媒剂的问题，本发明提出了一种基于热管的人工地层冻结装置和方法，用热管代替了循环巨量冷媒剂的传统冻结管并研发了可控式供冷系统，使得供冷冷媒剂在冻结系统外发生相变过程可控，解决了传统冻结管循环冷媒剂泄露风险、气态冷媒剂在管内相变造成的不稳地温度以及传统冻结法存在的冷量浪费问题，达到了低温下冻土帷幕均匀发展的目的。
本发明的技术方案如下：
基于热管的人工地层冻结装置，包括可控式供冷系统和热管冻结系统；
所述可控式供冷系统包括储能装置、相变装置和散气装置，用于向热管冻结系统提供冷量；
所述储能装置用于储存液态冷媒剂；储能装置内的液态冷媒剂通过管道流入相变装置；
所述相变装置用于将液态冷媒剂变为气态冷媒剂；从储能装置流入相变装置的液态冷媒剂在相变装置中发生充分相变，先从液态变为不稳定气态，再从不稳定气态变为稳定气态；相变装置以气态冷媒剂的形式向热管冻结系统提供冷量；
所述散气装置用于排放气态冷媒剂；当相变装置中的气态冷媒剂的温度逐渐升高、不符合冻结要求时，就通过管道流入散气装置；当散气装置中的气态冷媒剂满足排放要求时，就排入通风设备；
所述热管冻结系统包括出流管三13、回流管14、热管21和热交换器22，用于向岩土体提供冷量；
所述出流管三13和回流管14内部是特斯拉阀结构，用于保障气体单向流动；
所述热管21的内部填充有相变介质，并且相变介质被密封在热管21的内部；热管21及内部填充的相变介质的设计参数根据冻土帷幕性能要求进行优化设计；所述设计参数包括但不限于：热管的尺寸、形状、冷端和热端区段的范围，相变介质的类型和含量；
热交换器22设置在热管21的端部，通过出流管三13和回流管14与相变装置连接；相变装置的气态冷媒剂通过热交换器22把冷量传输给热管21；
所述热管21插入岩土体中，热管21内部的相变介质通过相变把来自热交换器22的冷量传输给岩土体。
进一步的，所述储能装置包括：储液罐1、出流管一2、单向阀一3和流量计4；储液罐1通过出流管一2连接到相变装置，储液罐1中的液态冷媒剂通过出流管一2流入相变装置；
所述单向阀一3设置在出流管一2上，用于控制液态冷媒剂能否从储液罐1中流入相变装置；
所述流量计4设置在出流管一2上，用于测量流过出流管一2的液态冷媒剂的流量。
进一步的，所述相变装置包括相变罐5、压强计6、温度计7、出流管二8、单向阀二9、气体流动加速器10、出流口11和回流口12；所述相变罐5与出流管一2连接，来自储能罐1的液态冷媒剂通过出流管一2流入相变罐5中；
所述压强计6和温度计7设置在相变罐5上，分别用于测量相变罐5内部气体的压强和温度；
所述气体流动加速器10设置在相变罐5内部，用于加速相变罐5内气体的流动，使得相变装置各部分的气体温度均匀，并提高低温气体在出流管三13、热交换器22、回流管14、回流口12之间的流动速率；
所述出流口11设置在相变罐5底部，通过出流管三13连接到热交换器22；
所述回流口12设置在相变罐5底部，通过回流管14连接到热交换器22；
相变罐5的气态冷媒剂通过出流口11和出流管三13流入热交换器22，将冷量传输给热管21后，通过回流管14和回流口12流回相变罐5；
相变罐5通过出流管二8连接到散气装置，相变罐5的气态冷媒剂通过出流管二8流入散气装置；
所述单向阀二9设置在出流管二8上，用于控制气态冷媒剂能否从相变罐5中流入散气装置。
进一步的，所述散气装置包括散气罐15、压强计二16、温度计二17、出流管四18、单向阀三19和出气口20；
所述散气罐15通过出流管二8连接到相变罐5，用于储存相变装置排出的气态冷媒剂；
所述压强计二16和温度计二17设置在散气罐15上，分别用于测量散气罐15内部气体的压强和温度；
所述出流管四18设置在散气罐15一侧，其末端与出气口20连接，用于排放散气罐15内部的气态冷媒剂；
所述单向阀三19设置在出流管四18上，用于控制气态冷媒剂能否从散气罐15中流入出气口20。
进一步的，所述冷媒剂包括但不限于：液体空气、液态氮气、液态二氧化碳。
一种基于权利要求1所述设备的人工地层冻结方法，包括以下步骤：
S1、储能罐1储存一定量的液态冷媒剂；
S2、冻结开始时，开启储能罐1的单向阀一3，液态冷媒剂通过出流管一2流入相变罐5；
S3、液态冷媒剂在相变罐5发生充分相变，成为低温气态冷媒剂，体积增大；低温气态冷媒剂通过出流口11和出流管三13流入热交换器22；
S4、在热量交换器22内，低温气态冷媒剂将冷量传输给热管21端部，成为高温气态冷媒剂；高温气态冷媒剂通过回流管14和回流口12流回相变罐5；
S5、热管21内部的相变介质在热管21的端部吸收来自热交换器22的冷量，变为液态；液态的相变介质将冷量传输给岩土体后，变为气态并流回热管21的端部；在此循环过程中，来自热交换器22的冷量被源源不断地传输给岩土体，岩土体逐渐被冻结；
S6、相变罐5内的气态冷媒剂，在气体加速器10的作用下，持续执行步骤S3～S5的循环流动过程，压强和温度不断升高；
S7、当相变罐5内的气态冷媒剂的温度不满足冻结要求时，开启单向阀二9，气态冷媒剂扩散进入散气罐15；
S8、当散气罐15内的气态冷媒剂的温度持续升高、体积持续增大，达到排放要求时，开启单向阀三19，散气罐15内的气态冷媒剂经由出流管四18、出气口20，排入通风设备；
S9、如果储能罐1内的液态冷媒剂已用尽，就更换储能罐1，否则重复执行步骤S2～S9。
本发明有益的技术效果在于：
(1)与液氮冻结法相比，本发明避免了液氮在冻结管内自由相变气化的不可控性而造成冻结管壁面温度巨大差异引发冻土帷幕发展不均匀的问题。采用相变装置将供冷液态的自由相变气化过程发生于冻结系统外；采用热管技术将液态冷媒剂的相变过程封闭于有限空间内，使得冻结管表面温度相对均一稳定，保障冻土帷幕的均匀性发展；
(2)与盐水冻结法相比，本发明的制冷温度不局限于某一固定温度(0～-40℃范围)，可以进行超低温冻结，且可以根据需要对冻结温度进行实时调整；
(3)与盐水冻结法和液氮冻结法相比，本发明通过避免巨量冷媒剂循环、冷量可控式供给、冷媒剂相变设计于冻结系统外等措施，避免出现冷媒剂大量泄露导致冻结失效的问题、以及冻胀或窒息风险，降低了成本、提高了经济性；
(4)与盐水冻结法和液氮冻结法相比，热管冻结法避免了大体量的配套系统，本发明的制冷系统设计较为简单、操作较为容易；不仅应用于地面，而且应用于联络通道等封闭空间，可以进行小型或微型设计，可以进行应急性抢险。
附图说明
图1是本发明的原理示意图；
图2是传统盐水冻结法的原理示意图；
图3是传统液氮冻结法的原理示意图；
图4是实施例2的原理示意图；
图5是实施例3的原理示意图。
图中，部件名称与附图编号的对应关系为：1、储液罐；2、出流管一；3、单向阀一；4、流量计；5、相变罐；6、压强计；7、温度计；8、出流管二；9、单向阀二；10、气体流动加速器；11、出流口；12、回流口；13、出流管三；14、回流管；15、散气罐；16、压强计；17、温度计；18、出流管四；19、单向阀三；20、出气口；21、热管；22、热交换器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一、硬件结构
如附图1所示，实施例由可控式供冷系统和热管冻结系统组成。可控式供冷系统包括储能装置、相变装置和散气装置，用于向热管冻结系统提供冷量；热管冻结系统用于向岩土体提供冷量。
储能装置用于储存液态冷媒剂；储能装置内的液态冷媒剂通过管道流入相变装置；液态冷媒剂在相变装置充分发生相变，成为气态冷媒剂，气态冷媒剂用于向热管冻结系统提供冷量；散气装置用于排放高温气态冷媒剂；当相变装置中的气态冷媒剂的温度逐渐升高、不符合冻结要求时，就通过管道流入散气装置；当散气装置中的气态冷媒剂满足排放要求时，就排入通风设备。
储能装置由储液罐1、出流管一2、单向阀一3和流量计4组成。储液罐1通过出流管一2连接到相变装置，储液罐1中的液态冷媒剂通过出流管一2流入相变装置；单向阀一3设置在出流管一2上，用于控制液态冷媒剂能否从储液罐1中流入相变装置；流量计4设置在出流管一2上，用于测量流过出流管一2的液态冷媒剂的流量。
相变装置由相变罐5、压强计6、温度计7、出流管二8、单向阀二9、气体流动加速器10、出流口11和回流口12组成。相变罐5与出流管一2连接，来自储能罐1的液态冷媒剂通过出流管一2流入相变罐5中；压强计6和温度计7设置在相变罐5的端部，分别用于测量相变罐5内部气体的压强和温度；气体流动加速器10设置在相变罐5内部，用于加速相变罐5内气体的流动；出流口11设置在相变罐5底部，通过出流管三13连接到热交换器22；回流口12设置在相变罐5底部，通过回流管14连接到热交换器22；相变罐5的气态冷媒剂通过出流口11和出流管三13流入热交换器22，将冷量传输给热管21后，通过回流管14和回流口12流回相变罐5；相变罐5通过出流管二8连接到散气装置，相变罐5的气态冷媒剂通过出流管二8流入散气装置；单向阀二9设置在出流管二8上，用于控制气态冷媒剂能否从相变罐5中流入散气装置。
散气装置由散气罐15、压强计二16、温度计二17、出流管四18、单向阀三19和出气口20组成。散气罐15通过出流管二8连接到相变罐5，用于储存相变装置排出的气态冷媒剂；压强计二16和温度计二17设置在散气罐15的端部，分别用于测量散气罐15内部气体的压强和温度；出流管四18设置在散气罐15一侧，其末端与出气口20连接，用于排放散气罐15内部的气态冷媒剂；单向阀三19设置在出流管四18上，用于控制气态冷媒剂能否从散气罐15中流入出气口20。
热管冻结系统由出流管三13、回流管14、热管21和热交换器22组成。出流管三13和回流管14内部是特斯拉阀结构，用于保障气体单向流动；热管21的内部填充有相变介质，并且相变介质被密封在热管21的内部；热管21及内部填充的相变介质根据冻土帷幕性能要求进行优化设计，确定热管的尺寸、形状、冷端和热端区段的范围，以及相变介质的类型和含量等参数。
热交换器22设置在热管21的端部，通过出流管三13和回流管14与相变装置连接；相变装置的气态冷媒剂通过热交换器22把冷量传输给热管21；热管21插入岩土体中，热管21内部的相变介质通过相变把来自热交换器22的冷量传输给岩土体。
冷媒剂的种类包括液态二氧化碳、液态氮气、液态空气等，根据冻土帷幕要求、工期、造价等因素进行计算后再选择。
二、安装与前期准备
(1)安装储能装置：在储液罐1上安装出流管2；在出流管2上安装单向阀3和流量计4。
(2)安装相变装置：在相变罐5上安装压强计6、温度计7、出流管8、单向阀9、出流口11、回流口12，在相变罐5内部安装气体流动加速器10，出流口11外接出流管、回流管12外接回流管。
(3)安装散气装置：在散气罐15上安装压强计16、温度计17、出流管18、单向阀19、出气口20。
(4)安装热管系统：根据冻土帷幕设计孔位情况，通过常规钻孔方式将热管外壳插入土体。根据工程需要，在工程现场将相变介质注入热管外壳，制作形成热管冻结管。并在热管外端安装热量交换器。
(5)设备连接：通过出流管2将储液罐1与相变罐5连接，通过出流管8将相变罐5与散气罐15连接。通过出气口20与通风设备连接。通过出流管13、回流管14与热交换器22连接，形成冷媒出回流系统。
三、工作过程
S1、储能罐1储存一定量的液态冷媒剂；
S2、冻结开始时，开启储能罐1的单向阀一3，通过出流管2向相变罐5注入液态冷媒剂；
S3、液态冷媒剂在相变罐5发生相变，成为低温气态冷媒剂，体积增大；低温气态冷媒剂通过出流口11和出流管三13流入热量交换器22；
S4、在热量交换器22内，低温气态冷媒剂将冷量传输给热管21端部，成为高温气态冷媒剂；高温气态冷媒剂通过回流管14和回流口12流回相变罐5；
S5、热管21内部的相变介质在热管21的端部吸收来自热交换器22的冷量，变为液态；液态的相变介质将冷量传输给岩土体后，变为气态并流回热管21的端部；在此循环过程中，来自热交换器22的冷量被源源不断地传输给岩土体，岩土体逐渐被冻结；
S6、相变罐5内的气态冷媒剂，在气体加速器10的作用下，持续执行步骤S3～S5的循环流动过程，压强和温度不断升高；
S7、当相变罐5内的气态冷媒剂的温度不满足冻结要求时，开启单向阀二9，气态冷媒剂扩散进入散气罐15；
S8、当散气罐15内的气态冷媒剂的温度持续升高、体积持续增大，达到排放要求时，开启单向阀三19，散气罐15内的气态冷媒剂经由出流管四18、出气口20，排入通风设备；
S9、如果储能罐1内的液态冷媒剂已用尽，就更换储能罐1，否则重复执行步骤S2～S9。
实施例2
实施例2与实施例1的差别在于：
(1)省略了散气装置，将相变罐5的出流管与通风装置连接(如图4所示)；
(2)安装与前期准备中省却了“安装散气装置”的工作；
(3)工作过程中，气态冷媒剂不再通过散气罐15排入通风设备，而是直接在相变罐5中排入。
实施例3
实施例3与实施例1的差别在于：
(1)省略了散气装置和相变装置，体外相变过程和散气过程都集中在储液罐1上(如图5所示)；
(2)安装与前期准备中省却了“安装相变装置”和“安装散气装置”的工作；
(3)工作过程中，液态冷媒剂的相变、流入热交换器22、排入通风设备等步骤均在储液罐1中完成。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。
Claims (6)
1.基于热管的人工地层冻结装置，其特征在于：
包括可控式供冷系统和热管冻结系统；
所述可控式供冷系统包括储能装置、相变装置和散气装置，用于向热管冻结系统提供冷量；
所述储能装置用于储存液态冷媒剂；储能装置内的液态冷媒剂通过管道流入相变装置；
所述相变装置用于将液态冷媒剂变为气态冷媒剂；从储能装置流入相变装置的液态冷媒剂在相变装置中发生充分相变，先从液态变为不稳定气态，再从不稳定气态变为稳定气态；相变装置以气态冷媒剂的形式向热管冻结系统提供冷量；
所述散气装置用于排放气态冷媒剂；当相变装置中的气态冷媒剂的温度逐渐升高、不符合冻结要求时，就通过管道流入散气装置；当散气装置中的气态冷媒剂满足排放要求时，就排入通风设备；
所述热管冻结系统包括出流管三(13)、回流管(14)、热管(21)和热交换器(22)，用于向岩土体提供冷量；
所述出流管三(13)和回流管(14)内部是特斯拉阀结构，用于保障气体单向流动；
所述热管(21)的内部填充有相变介质，并且相变介质被密封在热管(21)的内部；热管(21)及内部填充的相变介质的设计参数根据冻土帷幕性能要求进行优化设计；所述设计参数包括但不限于：热管的尺寸、形状、冷端和热端区段的范围，相变介质的类型和含量；
热交换器(22)设置在热管(21)的端部，通过出流管三(13)和回流管(14)与相变装置连接；相变装置的气态冷媒剂通过热交换器(22)把冷量传输给热管(21)；
所述热管(21)插入岩土体中，热管(21)内部的相变介质通过相变把来自热交换器(22)的冷量传输给岩土体。
2.根据权利要求1所述的基于热管的人工地层冻结装置，其特征在于：
所述储能装置包括：储液罐(1)、出流管一(2)、单向阀一(3)和流量计(4)；储液罐(1)通过出流管一(2)连接到相变装置，储液罐(1)中的液态冷媒剂通过出流管一(2)流入相变装置；
所述单向阀一(3)设置在出流管一(2)上，用于控制液态冷媒剂能否从储液罐(1)中流入相变装置；
所述流量计(4)设置在出流管一(2)上，用于测量流过出流管一(2)的液态冷媒剂的流量。
3.根据权利要求2所述的基于热管的人工地层冻结装置，其特征在于：
所述相变装置包括相变罐(5)、压强计(6)、温度计(7)、出流管二(8)、单向阀二(9)、气体流动加速器(10)、出流口(11)和回流口(12)；所述相变罐(5)与出流管一(2)连接，来自储能罐(1)的液态冷媒剂通过出流管一(2)流入相变罐(5)中；
所述压强计(6)和温度计(7)设置在相变罐(5)上，分别用于测量相变罐(5)内部气体的压强和温度；
所述气体流动加速器(10)设置在相变罐(5)内部，用于加速相变罐(5)内气体的流动，使得相变装置各部分的气体温度均匀，并提高低温气体在出流管三(13)、热交换器(22)、回流管(14)、回流口(12)之间的流动速率；
所述出流口(11)设置在相变罐(5)底部，通过出流管三(13)连接到热交换器(22)；
所述回流口(12)设置在相变罐(5)底部，通过回流管(14)连接到热交换器(22)；
相变罐(5)的气态冷媒剂通过出流口(11)和出流管三(13)流入热交换器(22)，将冷量传输给热管(21)后，通过回流管(14)和回流口(12)流回相变罐(5)；
相变罐(5)通过出流管二(8)连接到散气装置，相变罐(5)的气态冷媒剂通过出流管二(8)流入散气装置；
所述单向阀二(9)设置在出流管二(8)上，用于控制气态冷媒剂能否从相变罐(5)中流入散气装置。
4.根据权利要求3所述的基于热管的人工地层冻结装置，其特征在于：
所述散气装置包括散气罐(15)、压强计二(16)、温度计二(17)、出流管四(18)、单向阀三(19)和出气口(20)；
所述散气罐(15)通过出流管二(8)连接到相变罐(5)，用于储存相变装置排出的气态冷媒剂；
所述压强计二(16)和温度计二(17)设置在散气罐(15)上，分别用于测量散气罐(15)内部气体的压强和温度；
所述出流管四(18)设置在散气罐(15)一侧，其末端与出气口(20)连接，用于排放散气罐(15)内部的气态冷媒剂；
所述单向阀三(19)设置在出流管四(18)上，用于控制气态冷媒剂能否从散气罐(15)中流入出气口(20)。
5.根据权利要求1所述的基于热管的人工地层冻结装置，其特征在于，所述冷媒剂包括但不限于：液体空气、液态氮气、液态二氧化碳。
6.一种基于权利要求1所述设备的人工地层冻结方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、储能罐(1)储存一定量的液态冷媒剂；
S2、冻结开始时，开启储能罐(1)的单向阀一(3)，液态冷媒剂通过出流管一(2)流入相变罐(5)；
S3、液态冷媒剂在相变罐(5)发生充分相变，成为低温气态冷媒剂，体积增大；低温气态冷媒剂通过出流口(11)和出流管三(13)流入热交换器(22)；
S4、在热量交换器(22)内，低温气态冷媒剂将冷量传输给热管(21)端部，成为高温气态冷媒剂；高温气态冷媒剂通过回流管(14)和回流口(12)流回相变罐(5)；
S5、热管(21)内部的相变介质在热管(21)的端部吸收来自热交换器(22)的冷量，变为液态；液态的相变介质将冷量传输给岩土体后，变为气态并流回热管(21)的端部；在此循环过程中，来自热交换器(22)的冷量被源源不断地传输给岩土体，岩土体逐渐被冻结；
S6、相变罐(5)内的气态冷媒剂，在气体加速器(10)的作用下，持续执行步骤S3～S5的循环流动过程，压强和温度不断升高；
S7、当相变罐(5)内的气态冷媒剂的温度不满足冻结要求时，开启单向阀二(9)，气态冷媒剂扩散进入散气罐(15)；
S8、当散气罐(15)内的气态冷媒剂的温度持续升高、体积持续增大，达到排放要求时，开启单向阀三(19)，散气罐(15)内的气态冷媒剂经由出流管四(18)、出气口(20)，排入通风设备；
S9、如果储能罐(1)内的液态冷媒剂已用尽，就更换储能罐(1)，否则重复执行步骤S2～S9。
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| CN103697734A (zh) * | 2013-12-06 | 2014-04-02 | 中铁建设集团有限公司 | 一种phc管桩相变蓄能系统及其施工方法 |
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| CN107653874A (zh) * | 2017-09-26 | 2018-02-02 | 重庆交通大学 | 一种适于多年冻土区的螺纹状钢筋混凝土预制桩及其制作方法 |
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2022
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