CN201395790Y - 热管式人工地层冷冻系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种热管式人工地层冷冻系统，其特征在于它包括热管(1)和冷却夹套(2)，所述热管(1)分为两段，分别为露出地面的冷凝段(1.1)和插入地下的蒸发段(1.2)，所述冷凝段(1.1)上设置有冷却夹套(2)，冷却夹套(2)下部设置有冷冻液进口(2.1)，上部设置有冷冻液出口(2.2)。所述热管(1)内部的介质为液氮或液氨。本实用新型热管式人工地层冷冻系统，使用安全、无污染、能耗低。

Description

热管式人工地层冷冻系统

(一)技术领域

本实用新型涉及一种热管式人工地层冷冻系统，主要用于地下施工时，含水土壤层的冻结。

(二)背景技术

人工地层冷冻系统是指通过人工的手段将地下含水土壤冻结使之形成冻土层的过程。随着技术的发展，人工地层冷冻技术已越来越受到人们的关注，在很多地下的施工中，得到了应有，如开挖过江跨海隧道工程等。由于土质疏松，开挖过程中容易出现塌方，往往需要人工地层冷冻技术将地层先行冻结，加强力学性能后通过机械手段再进行施工。有些矿藏由于埋藏较深，开采土层的地质结构复杂，采用人工地层冷冻技术先将地层冷冻再进行开挖是比较稳妥的方案。对于一些特殊矿种已有先例，并逐步得到认可。另外，人工地层冷冻技术还可能应用于污染物控制，当某区域土壤受到难以降解污染物污染时，如大量重金属、核废料等，其地下水流动又相对比较活跃时，为了避免污染面积扩大，采用地层冷冻方式将其地下水域流道改路是比较安全合理的方法。

综上所述，人工地层冷冻技术随着社会的发展已经越来越受到人们的重视，目前的人工地层冷冻技术一般是采用使冷冻液在U型管内吸收地层热量的方法实现地层冷冻。一般有两种方式：一种为直接冷媒，以液态氨为主，通过液氨在管内流动吸收热量转化为显热和潜热。另一种为间接冷媒，以氯化钙水溶液为主，氯化钙水溶液在地面与冷媒如液氮或液氨换热，自身温度下降然后通过地下换热器吸收热量温度升高，将地层中热量带出使地层中水发生固液相变，实现地层冷冻的目的，但两者均存在一定缺陷：首先，对于直接冷却系统，一般载冷工质为低沸点液态工质，利用其潜热可以获得更多的冷量，但也同时带来了安全隐患，一旦载冷工质泄漏(如液氨)，在地层内可能发生汽化，导致地层内形成输送多孔层结构，强度严重下降，并且液氨轻微的泄漏造成的疏松土体体积可能就是很大的，严重时可能影响整个土体的力学性能，给施工造成很大隐患，而且液态工作介质泄漏速率如果不大，很难察觉，在近三十天的冷冻过程中可能造成大面积土层力学性能下降。其次对于二次回路循环，即由冷冻液液相二次循环换热。该方法使用载冷工质的液相显热换热，低沸点的工质不进入地下，所以避免了产生面包状地层的可能性，但地温循环液一般为有机物或无机物的水溶液，无论是有机物还是无机物的水溶液，一旦发生泄漏均会污染环境，造成局部环境恶化，尽管目前出现了一些环保型防冻液，但其价格和对液体粘度造成的影响均可能导致施工成本上升。另外，由于是二次回路换热，由对流换热控制，可能不如直接换热效果明显，同样导致运行成本提高，上述两种方案均为液体或汽液两相混合物在地下换热器中直接流动，其消耗的泵功是相当可观的。

(三)发明内容

本实用新型的目的在于克服上述不足，提供一种使用安全、无污染、能耗低的热管式人工地层冷冻系统。

本实用新型的目的是这样实现的：一种热管式人工地层冷冻系统，其特征在于它包括热管和冷却夹套，所述热管分为两段，分别为露出地面的冷凝段和插入地下的蒸发段，所述冷凝段上设置有冷却夹套，冷却夹套下部设置有冷冻液进口，上部设置有冷冻液出口。

本实用新型热管式人工地层冷冻系统，所述热管内部的介质为液氮或液氨。

本实用新型热管式人工地层冷冻系统，所述热管为不锈钢或碳钢-氨热管。

本实用新型热管式人工地层冷冻系统，采用低温热管作为传热元件，热管蒸发段埋于地下，作为取热部分，热管冷凝段露出地面作为放热段，与载冷工质换热。热管内部的介质一般为液氨。由于热管内部的液氨——氨气汽液两相平衡状态，因此相空间只要存在温度差，就要出现相移动，以无限逼近相平衡状态。当地层温度高于热管冷凝段冷却夹套内载冷工质的温度时，相空间中气相部分在热管冷凝段会发生遇冷凝结，蒸汽凝结后，冷凝液在重力的作用下，沿壁面向下流动。气相空间压力下降，导致液相工作介质沸点下降，液相处于过热状态，此时液相工作介质汽化，自身温度降低，以维持相平衡。由于热管内部空间的平衡压力下降，热管整体温度下降，地层温度高于热管温度，地层向热管放热，使地层温度下降，达到地层冷冻的效果。上述过程中，载冷工质(可能是液氨，也可能是液氮)，仅在地面以上的冷却套管中循环，不进入地下，不仅避免了泄漏对地层造成的影响，也大大减轻了循环泵功的负荷。即使热管内工作介质出现了泄漏，也仅仅是以升为数量级的微量泄漏，对土层造成的影响可以忽略不计。而外部循环的冷冻液(如液氮、液氨)进入土层的可能性非常小。这是由于热管使冷冻液与土体之间形成了二次间壁换热的效果，即冷冻液必须首先经冷凝段壁面进入热管内部，再由热管蒸发段壁面进入土层。一根热管蒸发段和冷凝段同时出现破裂的可能性微乎其微，因此可以认为不会发生。而热管正是巧妙的利用两次高效的相变过程，将冷热源分开。在既不影响换热效果的情况下实现了安全操作。

(四)附图说明

图1为本实用新型热管式人工地层冷冻系统结构示意图。

图中：

热管1、冷却夹套2、含水土层3、冻结层4、冷凝段1.1、蒸发段1.2、冷冻液进口2.1、冷冻液出口2.2。

(五)具体实施方式

参见图1，本实用新型涉及的热管式人工地层冷冻系统，由热管1和冷却夹套2组成，热管1分为两段，分别为露出地面的冷凝段1.1和插入地下的蒸发段1.2，所述冷凝段1.1上设置有冷却夹套2，冷却夹套2下部设置有冷冻液进口2.1，上部设置有冷冻液出口2.2。

热管1内部的介质为液氮或液氨。

热管1为不锈钢或碳钢-氨热管。

Claims (3)

1、一种热管式人工地层冷冻系统，其特征在于它包括热管(1)和冷却夹套(2)，所述热管(1)分为两段，分别为露出地面的冷凝段(1.1)和插入地下的蒸发段(1.2)，所述冷凝段(1.1)上设置有冷却夹套(2)，冷却夹套(2)下部设置有冷冻液进口(2.1)，上部设置有冷冻液出口(2.2)。

2、根据权利要求1所述的一种热管式人工地层冷冻系统，其特征在于所述热管(1)内部的介质为液氮或液氨。

3、根据权利要求1或2所述的一种热管式人工地层冷冻系统，其特征在于所述热管(1)为不锈钢或碳钢-氨热管。

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