CN213267824U - 液氮冻结管及具有该管的液氮冻结模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了液氮冻结管及具有该管的液氮冻结模型试验装置，包括进液管、出气管、外管，所述进液管设置在所述外管内部，所述进液管上设置有多个通孔，所述进液管通过多个所述通孔与所述外管连接，所述进液管位于所述外管内部的一端密封，另一端与液氮输入管路连通。本实用新型通过在进液管上沿管壁等距离对称开设多个小孔，并将进液管底端封堵，以保证冻结管的外管管壁温度分布的均匀性；在冻结过程中，液氮沿进液管进入外管内，并在外管中气化，达到低温快速冻结的目的，冻结完成，可将进液管与出气管从外管中拔出后，盾构机便可直接切割PVC塑料外管；并且液氮冻结管外管的管壁温度分布均匀、可以节约工程工期和成本。

Description

液氮冻结管及具有该管的液氮冻结模型试验装置

技术领域

本实用新型涉及液氮冻结温度场技术领域，具体涉及液氮冻结管及具有该管的液氮冻结模型试验装置。

背景技术

人工液氮冻结就是将一定数量的冻结管垂直或水平布置在需要冻结加固的土体中，通过冻结管中的液氮来吸收土体中的热量。液氮冻结虽能达到快速封水的目的，但因液氮消耗量大，相对于其他工法来说造价相对较高。在实际冻结工程当中，每冻1立方米土大约需要消耗1200L—1500L液氮，因此为了节约液氮用量，节省工程成本，可以在实际工程中采用局部冻结对洞门进行加固。

传统液氮冻结管的结构包括出气管、进液管和外管。液氮的沸点为-195.8℃，当液氮自进液管进入外管中，由于周边土体温度远高于液氮沸点，液氮会迅速发生汽化，并和周边土体发生剧烈的热交换。采用传统冻结管冻结时，由于进液管仅在底端开口，液氮极易在进液管底部积存，而出气管位置则为气态氮，造成自外管底部向管口方向，外管管壁温度逐渐升高，进而导致外管周边土体温度分布极其不均匀。现有液氮冻结管管壁温度的研究和液氮冻结土体温度场的现场实测也证实了这一特征，为此，提出液氮冻结管及具有该管的液氮冻结模型试验装置。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于：如何解决现有液氮冻结管的外管管壁温度不均匀的问题，同时为免去盾构洞门冻结加固中的外管拔除工作，提供了液氮冻结管。

本实用新型是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本实用新型包括进液管、出气管、外管，所述进液管设置在所述外管内部，所述进液管上设置有多个通孔，所述进液管通过多个所述通孔与所述外管连通，所述进液管位于所述外管内部的一端密封，另一端与液氮输入管路连通，所述出气管与所述外管连通。

优选的，所述进液管、所述出气管的材质为金属，所述外管的材质为塑料。

优选的，所述通孔等间距对称设置在所述进液管的两侧。

优选的，所述液氮冻结管还包括第一法兰盘，所述进液管、所述出气管均通过所述第一法兰盘与所述外管的顶部可拆卸连接。

优选的，所述液氮冻结管还包括第二法兰盘，所述第二法兰盘设置在所述外管的底部，用于密封外管底部。

本实用新型还提供了液氮冻结模型试验装置，包括液氮冻结系统与温度监测系统，所述液氮冻结系统包括增压液氮罐、软管与液氮冻结管，所述增压液氮罐通过所述软管与所述液氮冻结管的进液管连接，所述温度监测系统包括温度传感器与温度数据采集仪，所述温度传感器与所述温度数据采集仪电连接，所述温度传感器设置在所述液氮冻结管周围的土体中。

优选的，所述增压液氮罐上设置有排液阀，所述软管与所述排液阀连接。

优选的，所述软管外部设置有保温层。

优选的，所述液氮冻结管周围的土体中设置有多个温度测点，所述进液管管口与所述出气管管口均设置有一个温度测点，所述温度传感器设置在各所述温度测点上。

本实用新型还提供了液氮冻结模型试验方法，包括以下步骤：

S1：外管管壁温度测点布置

沿外管管壁两侧各布置一排温度测点，每排多个温度测点，每个温度测点之间间隔相等，并在进液管管口和出气管管口各布置一个温度测点；

S2：土体温度测点布置

在外管两侧，等间隔竖向设置一根热电偶串，共平行设置多根热电偶串，每根热电偶串上等间隔布置多个温度测点。

S3：连接增压液氮罐

将软管一端与增压液氮罐的排液阀相连，另一端与液氮冻结管的进液管相连，液氮经过软管和进液管进入外管中，在外管中吸收周围土体的热量并气化；

S4：采集温度数据

最后通过温度数据采集仪采集温度数据。

本实用新型相比现有技术具有以下优点：通过在进液管上沿管壁等距离对称开设多个小孔，并将进液管底端封堵，以保证冻结管的外管管壁温度分布的均匀性；在冻结过程中，液氮沿进液管进入外管内，并在外管中气化，达到低温快速冻结的目的，冻结完成，可将进液管与出气管从外管中拔出后，盾构机便可直接切割PVC塑料外管；并且液氮冻结管外管的管壁温度分布均匀、可以节约工程工期和成本，具有广泛适用性。

附图说明

图1是本实用新型实施例中塑料液氮冻结管的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中塑料单管液氮冻结模型试验装置的结构示意图；

图3是本实用新型实施例中的土体温度测点布置示意图。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

如图1～3所示，本实施例提供一种技术方案：一种塑料单管液氮冻结模型试验装置，塑料单管液氮冻结模型试验装置包括液氮冻结系统和温度监测系统。液氮冻结系统包括增压液氮罐2、不锈钢软管3以及塑料液氮冻结管。温度监测系统选用自制的铜–康铜热电偶作为温度传感器。不锈钢软管3一端与增压液氮罐2的排液阀31相连，另一端与塑料液氮冻结管的进液管11相连，液氮经过不锈钢软管3和进液管11进入塑料液氮冻结管中，在塑料液氮冻结管中吸收周围土体4热量并气化，氮气通过出气管12排出到空气中。

所述塑料液氮冻结管，根据地铁盾构洞门液氮垂直冻结加固工程实例，工程中液氮冻结管的进液管和出气管一般选取直径为100mm左右的不锈钢管，在本实施例中，液氮进液管和出气管一般为直径为30mm左右的不锈钢管或铜管。因在试验中几何相似比为2，所以选取直径为50mm的PVC塑料管作为外管13，进液管11和出气管12均选取直径为16mm的钢管。外管13长1.1m，进液管11 长1.05m，出气管12长0.2m，进液管11和出气管12均人工焊接在铁法兰盘14 (位于外管13的顶部)上，进液管11伸出铁法兰盘14的长度0.05m，出气管 12伸出铁法兰盘14的长度为0.2m。PVC外管13粘合在塑料法兰盘15上，底部用塑料堵头151封堵，顶部通过螺栓与铁法兰盘14连接，塑料法兰盘15与铁法兰盘14用胶水与垫片密封。

在本次模型试验中，制作1根改进塑料液氮冻结管，即进液管11沿管壁等距离和相对称开孔，开孔距离为150mm，合计开12个小孔16(每侧6个小孔 16)，且小孔16是在进液管11底端封堵后开设的，小孔16直径10mm，如图2 所示。改进冻结管插入土体4中，试验中对该冻结管冻结过程中的管壁温度和土体温度场分布规律同时进行监测。

所述增压液氮罐2，选用了175L标准液氮罐，试验中需调节增压液氮罐2 的压力，使压力控制在0.05MPa～0.1MPa之间，同时调节增压液氮罐2上的排液阀31，使出气管12的氮气出口温度控制在-80℃左右，液氮出口温度控制在- 170～-150℃。

所述不锈钢软管3，选用了Φ16mm的不锈钢软管3，为防止液氮冷量沿不锈钢软管3损失，用聚氨酯保温棉对不锈钢软管3进行保温。

所述温度传感器，选用自制的铜–康铜热电偶，其最低监测温度可达- 200℃，温度数据的采集仪器为TDS-630静态数据采集仪。

本实施例还提供了一种塑料单管液氮冻结模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

(1)冻结管管壁温度测点布置

外管13管壁的温度测点布置如图3所示。无论是传统冻结管还是本实施例中改进后冻结管，均沿外管13管壁两侧各布置一排温度测点，每排10个测点，每个测温点之间间隔100mm，每个冻结管布置温度测点合计20个(Ta1～ Ta10、TA1～TA10)，并在进液管11管口和出气管12管口各布置1个温度测点 (Tin、Tout)

(2)土体温度测点布置

土体4温度测点的具体布置如图3所示。为实时监测冻结管周边土体3的温度分布规律，在冻结管两侧，每间隔50mm竖向设置一根热电偶串，合计设置14根热电偶串(b～h、B～H)，每根热电偶串(即前述的温度传感器)上间隔100mm布置1个温度测点，则每根热电偶串上共布置10个温度测点(1～ 10)，土体中的温度测点合计140个，加上外管13管壁的温度测点，本次模型试验中的温度测点合计160个(10行×16列)，温度测点编号计为Tij，其中 i＝a～h、A～H；j＝1～10。

(3)不锈钢软管3一端与增压液氮罐2的排液阀31相连，另一端与液氮冻结管的进液管11相连，液氮经过不锈钢软管3和进液管11进入外管13中，在外管13中吸收周围土体4的热量并气化。

(4)最后通过温度数据的采集仪器为TDS-630静态数据采集仪采集数据。

综上所述，该液氮冻结管，通过在进液管上沿管壁等距离对称开设多个小孔，并将进液管底端封堵，以保证冻结管的外管管壁温度分布的均匀性；在冻结过程中，液氮沿进液管进入外管内，并在外管中气化，达到低温快速冻结的目的，冻结完成，可将进液管与出气管从外管中拔出后，盾构机便可直接切割PVC塑料外管；并且液氮冻结管外管的管壁温度分布均匀、可以节约工程工期和成本，具有广泛适用性。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.液氮冻结管，其特征在于：包括进液管、出气管、外管，所述进液管设置在所述外管内部，所述进液管上设置有多个通孔，所述进液管通过多个所述通孔与所述外管连通，所述进液管位于所述外管内部的一端密封，另一端与液氮输入管路连通，所述出气管与所述外管连通。

2.根据权利要求1所述的液氮冻结管，其特征在于：所述进液管、所述出气管的材质为金属，所述外管的材质为塑料。

3.根据权利要求2所述的液氮冻结管，其特征在于：所述通孔等间距对称设置在所述进液管的两侧。

4.根据权利要求3所述的液氮冻结管，其特征在于：所述液氮冻结管还包括第一法兰盘，所述进液管、所述出气管均通过所述第一法兰盘与所述外管的顶部可拆卸连接。

5.根据权利要求4所述的液氮冻结管，其特征在于：所述液氮冻结管还包括第二法兰盘，所述第二法兰盘设置在所述外管的底部。

6.液氮冻结模型试验装置，其特征在于：包括液氮冻结系统与温度监测系统，所述液氮冻结系统包括增压液氮罐、软管与如权利要求1～5任一项所述的液氮冻结管，所述增压液氮罐通过所述软管与所述液氮冻结管的进液管连接，所述温度监测系统包括温度传感器与温度数据采集仪，所述温度传感器与所述温度数据采集仪电连接，所述温度传感器设置在所述液氮冻结管周围的土体中。

7.根据权利要求6所述的液氮冻结模型试验装置，其特征在于：所述增压液氮罐上设置有排液阀，所述软管与所述排液阀连接。

8.根据权利要求7所述的液氮冻结模型试验装置，其特征在于：所述软管外部设置有保温层。

9.根据权利要求8所述的液氮冻结模型试验装置，其特征在于：所述液氮冻结管周围的土体中设置有多个温度测点，所述进液管管口与所述出气管管口均设置有一个温度测点，所述温度传感器设置在各所述温度测点上。

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