CN214573874U - 利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统，包括：冻结管，打设于需冻结施工的区域内；液态二氧化碳供给装置，与所有的冻结管连通并形成第一循环回路，通过液态二氧化碳供给装置向冻结管内持续的送入液态二氧化碳，通过冻结管内的液态二氧化碳对冻结管周围的土体进行冻结以完成地层中对应区域的冻结施工。本申请能够循环利用二氧化碳更加经济和实用，实现相同费用下更高效的冻结。

Description

利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统

技术领域

本实用新型涉及地层冻结技术领域，特指一种利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统。

背景技术

人工地层冻结法(以下简称“冻结法”)是指利用人工制冷技术使天然土体变成人工冻土，从而改良土体性质以便于后续地下工程施工的一种特殊土木工程施工方法。

目前，在已有的冻结法中，盐水冻结是最为常见也是应用最广的冻结方法，其次是液氮冻结。其中，盐水冻结通常做法是：利用压缩机降低一次冷媒温度后再降低二次冷媒(氯化钙盐水)温度，然后通过低温盐水在打入土体的冻结管中不断循环来降低土体温度，从而逐渐形成冻土。这种方法在土体降至冰点以前效率较高，但随着土体温度进一步下降，盐水冻结效率降低，常常存在后期盐水温度降不下去的情况，因此总的冻结周期较长，总费用也较高。液氮冻结工序相对简单，只需将液氮通入冻结管中即可。这种方法每次冻结地层都要倒入新的液氮，由于液氮无法重复使用，使得施工费用昂贵，通常在工程抢险时使用该方法。总体来说，盐水冻结和液氮冻结都各自存在一定问题，前者费用低但效率也低，后者效率高但费用也高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统，以实现相同费用下更高效的冻结。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统，包括：

冻结管，打设于需冻结施工的区域内；

液态二氧化碳供给装置，与所有的冻结管连通并形成第一循环回路，通过所述液态二氧化碳供给装置向所述冻结管内持续的送入液态二氧化碳，通过所述冻结管内的液态二氧化碳对所述冻结管周围的土体进行冻结以完成地层中对应区域的冻结施工。

本实用新型通过液态二氧化碳供给装置向冻结管内持续的送入液态二氧化碳，利用冻结管内的液态二氧化碳对冻结管周围的土体进行冻结以完成地层中对应区域的冻结施工，以达到较佳的冻结效果，二氧化碳的熔点为-56.6℃，沸点为-78.5℃，本申请利用二氧化碳对地层进行制冷的温度可达-45℃，远低于常规盐水冻结温度的-30℃，制冷效果更好，而且液态二氧化碳的流量仅为常规冻结盐水的1/10左右，其循环所需的能耗较低，系统整体的耗电预估为常规盐水冻结的60％，降低了施工成本，液态二氧化碳的流量小，且粘度低，相应的冻结设备、冻结管及各管线的尺寸可以做到更小，不仅节省了材料，而且使设备的布置更加灵活方便，相较于液氮无法重复使用，本申请能够循环利用二氧化碳更加经济和实用，实现相同费用下更高效的冻结。

本实用新型利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统的进一步改进在于，所述液态二氧化碳供给装置包括第一循环管路、充入所述第一循环回路内的设定量的液态二氧化碳、安装于所述第一循环管路上的所述二氧化碳泵、安装于所述第一循环管路上的所述液化机构；

通过所述二氧化碳泵使得所述第一循环回路内的液态二氧化碳进行循环运动；

通过所述液化机构将所述第一循环管路中呈气态的二氧化碳转化为呈液态的二氧化碳。

本实用新型利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统的进一步改进在于，所述液化机构包括与所述第一循环管路部分相贴的第二循环管路和充入所述第二循环管路内的制冷剂；

所述第二循环管路的内部形成有第二循环回路，通过使所述制冷剂在所述第二循环管路内部形成的第二循环回路中进行循环运动，进而循环利用所述制冷剂对所述第一循环管路进行降温以使得所述第一循环管路中呈气态的二氧化碳转化为呈液态的二氧化碳。

本实用新型利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统的进一步改进在于，所述液化机构还包括安装于所述第二循环管路上的节流阀。

本实用新型利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统的进一步改进在于，所述制冷剂为氨。

本实用新型利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统的进一步改进在于，还包括安装于所述第二循环管路上的冷凝机构，通过所述冷凝机构能够对所述液化机构进行降温。

本实用新型利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统的进一步改进在于，所述液化机构还包括安装于所述第二循环管路上的压缩机，通过所述压缩机能够对所述制冷剂进行加压。

本实用新型利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统的进一步改进在于，所述冷凝机构包括与所述第二循环管路部分相贴的第三循环管路、充入所述第三循环管路内的冷却水以及安装于所述第三循环管路上的冷却塔；

所述第二循环管路与所述第三循环管路相贴的部分和所述第二循环管路与所述第一循环管路相贴的部分不一致；

通过使所述冷却水在所述第三循环管路内部形成的第三循环回路中进行循环运动，进而循环利用所述冷却水对所述第二循环管路进行降温以使得所述第一循环管路中呈气态的二氧化碳转化为呈液态的二氧化碳；

通过所述冷却塔将从所述冷却水吸收的热量传递到外界空气。

本实用新型利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统的进一步改进在于，所述冷凝机构还包括安装于所述第三循环管路上的冷却水泵，通过所述冷却水泵使得所述第三循环回路内的所述冷却水进行循环运动。

附图说明

图1为本实用新型利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统的结构示意图。

图中：冻结管-1，第一循环管路-21，二氧化碳泵-22，液化机构-23，第二循环管路-231，压缩机-232，节流阀-233，冷凝机构-3，第三循环管路-31，冷却塔-32，冷却水泵-33。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供了一种利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统，用于冻结地层，本实用新型包括冻结管以及液态二氧化碳供给装置，通过液态二氧化碳供给装置向冻结管内持续的送入液态二氧化碳，利用冻结管内的液态二氧化碳对冻结管周围的土体进行冻结以完成地层中对应区域的冻结施工，以达到较佳的冻结效果，二氧化碳的熔点为-56.6℃，沸点为-78.5℃，本申请利用二氧化碳对地层进行制冷的温度可达-45℃，远低于常规盐水冻结温度的-30℃，制冷效果更好，而且液态二氧化碳的流量仅为常规冻结盐水的1/10左右，其循环所需的能耗较低，系统整体的耗电预估为常规盐水冻结的60％，降低了施工成本，液态二氧化碳的流量小，且粘度低，相应的冻结设备、冻结管及各管线的尺寸可以做到更小，不仅节省了材料，而且使设备的布置更加灵活方便，相较于液氮无法重复使用，本申请能够循环利用二氧化碳更加经济和实用，实现相同费用下更高效的冻结。

下面结合附图对本实用新型利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统进行说明。

参见图1，在本实施例中，一种利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统包括：冻结管1和液态二氧化碳供给装置，冻结管1打设于需冻结施工的区域内，液态二氧化碳供给装置与所有的冻结管1连通并形成第一循环回路，通过液态二氧化碳供给装置向冻结管1内持续的送入液态二氧化碳，通过冻结管1内的液态二氧化碳对冻结管1周围的土体进行冻结以完成地层中对应区域的冻结施工。

在本实施例中冻结装置通过液态二氧化碳供给装置向冻结管1内持续的送入液态二氧化碳，利用冻结管1内的液态二氧化碳对冻结管1周围的土体进行冻结以完成地层中对应区域的冻结施工，以达到较佳的冻结效果，二氧化碳的熔点为-56.6℃，沸点为-78.5℃，本申请利用二氧化碳对地层进行制冷的温度可达-45℃，远低于常规盐水冻结温度的-30℃，制冷效果更好，而且液态二氧化碳的流量仅为常规冻结盐水的1/10左右，其循环所需的能耗较低，系统整体的耗电预估为常规盐水冻结的60％，降低了施工成本，液态二氧化碳的流量小，且粘度低，相应的冻结设备、冻结管1及各管线的尺寸可以做到更小，不仅节省了材料，而且使设备的布置更加灵活方便，相较于液氮无法重复使用，本申请能够循环利用二氧化碳更加经济和实用，实现相同费用下更高效的冻结。

参见图1，在本实施例中，液态二氧化碳供给装置包括第一循环管路21、充入第一循环回路内的设定量的液态二氧化碳、安装于第一循环管路21上的二氧化碳泵22、安装于第一循环管路21上的液化机构23，通过二氧化碳泵22使得第一循环回路内的液态二氧化碳进行循环运动，通过液化机构23将第一循环管路21中呈气态的二氧化碳转化为呈液态的二氧化碳。

参见图1，进一步的，液化机构23包括与第一循环管路21部分相贴的第二循环管路231和充入第二循环管路231内的制冷剂，第二循环管路231的内部形成有第二循环回路，通过使制冷剂在第二循环管路231内部形成的第二循环回路中进行循环运动，进而循环利用制冷剂对第一循环管路21进行降温以使得第一循环管路21中呈气态的二氧化碳转化为呈液态的二氧化碳。

参见图1，更进一步的，液化机构23还包括安装于第二循环管路231上的节流阀233，以控制制冷剂的流量。

参见图1，在本实施例中，冻结系统还包括安装于第二循环管路231上的冷凝机构3，通过冷凝机构3能够对液化机构23进行降温。

参见图1，进一步的，冷凝机构3包括与第二循环管路231部分相贴的第三循环管路31、充入第三循环管路31内的冷却水以及安装于第三循环管路31上的冷却塔32，第二循环管路231与第三循环管路31相贴的部分和第二循环管路231与第一循环管路21相贴的部分不一致，通过使冷却水在第三循环管路31内部形成的第三循环回路中进行循环运动，进而循环利用冷却水对第二循环管路231进行降温以使得第一循环管路21中呈气态的二氧化碳转化为呈液态的二氧化碳，通过冷却塔32将从冷却水吸收的热量传递到外界空气。

本实施例中，所提供的制冷剂为氨。但本申请所采用的制冷剂不限于氨，还包括氟利昂等其他制冷剂的循环制冷方法。以氨循环为例，液态氨吸热蒸发变为低温低压的饱和蒸气氨，低温低压的蒸气氨再被压缩机232压缩成高温高压的蒸气氨后再进入冷凝机构3冷却，冷却后的高压液氨经过节流阀233降压后重新变成液态氨再与第一循环管路21内的二氧化碳进行热量交换，从而形成氨循环系统。氨循环系统将液态氨吸收的热量传递给冷却水。

参见图1，更进一步的，液化机构23还包括安装于第二循环管路231上的压缩机232，通过压缩机232能够对制冷剂进行加压。

较佳地，利用压缩机232对呈气态状的制冷剂进行加压，加压后的第二循环管路231内呈气态状的制冷剂与第三循环管路31内的冷却水发生热量交换，使呈气态状的制冷剂液化为呈液态状的制冷剂，从而能够循环利用制冷剂使呈气态状的二氧化碳液化为呈液态状的二氧化碳。

参见图1，更进一步的，冷凝机构3还包括安装于第三循环管路31上的冷却水泵33，通过冷却水泵33使得第三循环回路内的冷却水进行循环运动。

冻结系统还包括隔热盒，隔热盒套设安装于第二循环管路231与第三循环管路31相贴的部分以及第二循环管路231与第一循环管路21相贴的部分上，以隔绝第一循环管路21、第二循环管路231以及第三循环管路31与外界空气之间的热量交换。

第一循环管路21具有若干对进入端和排出端，进入端伸入对应的冻结管1的底部，排出端密封连接于对应的冻结管1的顶部，进入端流出的呈液态状的二氧化碳不断进入冻结管1的管底，随着新的二氧化碳不断压入，之前流入二氧化碳不断上升并与周围的土体发生热量交换，在上升至冻结管1的顶部时经排出端再流入第一循环管路21中。

具体的，冻结管1采用φ45×5mm低碳无缝钢管。

下面对本实用新型的利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统的工作流程进行说明。

在本实施例中，第一循环管路中呈液态状的二氧化碳经由二氧化碳泵22流入冻结管1，吸收周边地层热量，其中部分呈液态状的二氧化碳汽化为呈气态的二氧化碳，经冻结管1流出地面的二氧化碳为气液混合物，该混合物流经液化机构3使得呈气态的二氧化碳液化为呈液态状的二氧化碳，使得第一循环管路内二氧化碳转化为液态后再流入冻结管1，这样就形成二氧化碳循环系统。二氧化碳循环系统将地层中的热量传递给液化机构3中第二循环管路内的制冷剂。第二循环管路内呈液态状的制冷剂吸热蒸发变为低温低压的饱和蒸气制冷剂，低温低压的蒸气制冷剂再被压缩机32压缩成高温高压的蒸气制冷剂后再进入冷凝机构4冷却，冷却后的高压液制冷剂经过节流阀34降压后重新变成呈液态状的制冷剂与第一循环管路21内的二氧化碳进行热量交换，从而形成制冷剂循环系统。制冷剂循环系统将呈液态状的制冷剂吸收的热量传递给冷凝机构4中的冷却水。第三循环管路内的低温冷却水从第二循环管路内的制冷剂吸收热量变为高温冷却水，再经冷却塔42降温后重新形成低温冷却水，而后经冷却水泵44后再与第二循环管路内的制冷剂行热量交换，形成冷却水循环。冷却水循环将从制冷剂中吸收的热量传递到外界空气。最终，通过二氧化碳循环、制冷剂循环以及冷却水循环这三大循环，将地层的热量和压缩机32产生的热量传递到外界空气，实现地层的降温，把冻结管1周围的土体变成了冻土。

二氧化碳温度降至设计温度(-38℃至-45℃)后进入维护冻结阶段，达到既定条件后进行冻结暗挖(含盾构进出洞)、结构施作等。结构施作完毕并达到一定强度后停止冻结，进行冻结孔封孔，并注意根据沉降监测进行融沉注浆。

通过采用上述技术方案，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型通过液态二氧化碳供给装置向冻结管内持续的送入液态二氧化碳，利用冻结管内的液态二氧化碳对冻结管周围的土体进行冻结以完成地层中对应区域的冻结施工，以达到较佳的冻结效果，二氧化碳的熔点为-56.6℃，沸点为-78.5℃，本申请利用二氧化碳对地层进行制冷的温度可达-45℃，远低于常规盐水冻结温度的-30℃，制冷效果更好，而且液态二氧化碳的流量仅为常规冻结盐水的1/10左右，其循环所需的能耗较低，系统整体的耗电预估为常规盐水冻结的60％，降低了施工成本，液态二氧化碳的流量小，且粘度低，相应的冻结设备、冻结管及各管线的尺寸可以做到更小，不仅节省了材料，而且使设备的布置更加灵活方便，相较于液氮无法重复使用，本申请能够循环利用二氧化碳更加经济和实用，实现相同费用下更高效的冻结。

Claims (9)

1.一种利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统，其特征在于，包括：

冻结管，打设于需冻结施工的区域内；以及

液态二氧化碳供给装置，与所有的冻结管连通并形成第一循环回路，通过所述液态二氧化碳供给装置向所述冻结管内持续的送入液态二氧化碳，通过所述冻结管内的液态二氧化碳对所述冻结管周围的土体进行冻结以完成地层中对应区域的冻结施工。

2.根据权利要求1所述的利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统，其特征在于，所述液态二氧化碳供给装置包括第一循环管路、充入所述第一循环回路内的设定量的液态二氧化碳、安装于所述第一循环管路上的二氧化碳泵、安装于所述第一循环管路上的液化机构；

通过所述二氧化碳泵使得所述第一循环回路内的液态二氧化碳进行循环运动；

通过所述液化机构将所述第一循环管路中呈气态的二氧化碳转化为呈液态的二氧化碳。

3.根据权利要求2所述的利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统，其特征在于，所述液化机构包括与所述第一循环管路部分相贴的第二循环管路和充入所述第二循环管路内的制冷剂；

所述第二循环管路的内部形成有第二循环回路，通过使所述制冷剂在所述第二循环管路内部形成的第二循环回路中进行循环运动，进而循环利用所述制冷剂对所述第一循环管路进行降温以使得所述第一循环管路中呈气态的二氧化碳转化为呈液态的二氧化碳。

4.根据权利要求3所述的利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统，其特征在于，所述液化机构还包括安装于所述第二循环管路上的节流阀。

5.根据权利要求3所述的利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统，其特征在于，所述制冷剂为氨。

6.根据权利要求3所述的利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统，其特征在于，还包括安装于所述第二循环管路上的冷凝机构，通过所述冷凝机构能够对所述液化机构进行降温。

7.根据权利要求6所述的利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统，其特征在于，所述液化机构还包括安装于所述第二循环管路上的压缩机，通过所述压缩机能够对所述制冷剂进行加压。

8.根据权利要求6所述的利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统，其特征在于，所述冷凝机构包括与所述第二循环管路部分相贴的第三循环管路、充入所述第三循环管路内的冷却水以及安装于所述第三循环管路上的冷却塔；

所述第二循环管路与所述第三循环管路相贴的部分和所述第二循环管路与所述第一循环管路相贴的部分不一致；

通过使所述冷却水在所述第三循环管路内部形成的第三循环回路中进行循环运动，进而循环利用所述冷却水对所述第二循环管路进行降温以使得所述第一循环管路中呈气态的二氧化碳转化为呈液态的二氧化碳；

通过所述冷却塔将从所述冷却水吸收的热量传递到外界空气。

9.根据权利要求8所述的利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统，其特征在于，所述冷凝机构还包括安装于所述第三循环管路上的冷却水泵，通过所述冷却水泵使得所述第三循环回路内的所述冷却水进行循环运动。

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