冻结工程冻结法原理与设计原则

3.3.2 冻结法原理与设计原则
根据工程需要可以采用正、反盐水循环系统 l 正循环：盐水由供液管进冻结管，在其中循环后，再由回液管返回盐水公路 l 反循环：方向与正循环恰好相反 一般用正循环，当需要先快速冻结上部地层时，可使用反循环。 通过设置在管路上的阀门进行正、反循环切换
盐水
供
回
液
液
管
管
冻结管
（二）制冷设备 1、氨压缩机 （2）螺杆式压缩机
由于螺杆压缩机采用喷油冷却，有耗油量大，输油 系统复杂，不适合变压比下工作，噪声大等缺点。
（二）制冷设备 2、冷凝器与蒸发器
（1）冷凝器
冷凝器有立式，淋水式， 卧式及组合式几种。
立式冷凝器占地面积小，冷却效率高，不易堵塞， 消除水垢时不必停止工作。
温度 ℃ -1 0
0
a 单管冻土温度分布及变化 b 静水中单管冻结的冻土体扩展 c 冻土墙的形成和发展过程
冻结管 t1 t2 t3 t4
t0
t1
t2
t0< t1< t2 t1 时 刻 冻 结 锋 面 t2 时 刻 冻 结 锋 面
距离
t1 t2 t3 t4
t1< t2< t3< t4
3.3.2 冻结法原理与设计原则
一 级 压 缩 制 冷 原 理
周而复始循环，可获取-25℃左右的低温盐水
-25℃低温盐水一般不能满足大型岩土工程的需要，若需要更低的蒸发温度——二级压缩制冷 本质：增加中间冷却器，用一级制冷蒸发温度冷却
二级压缩制冷原理
3.3.2 冻结法原理与设计原则
盐水循环： 将地层热量带到大气中的循环，在制冷过程中起热量传递作用 一般采用氯化钙（CaCl2）溶液作为盐水。 盐水循环由盐水箱、盐水泵、盐水管路、集液圈、配液圈、冻结器等组成。 其中，冻结器安设于预先钻进的冻结孔中，是低温盐水与地层进行热交换的换热器，由冻结管、供液管和回 液管构成。
但存在用水量大，漏氨不易被察觉的等缺点。
（二）制冷设备
2、冷凝器与蒸发器
（2）蒸发器
液氨在其中蒸发（沸腾） 变为饱和蒸气，吸收其 周围盐水中的热量，产生
低温盐水。
蒸发器置于盐水箱中，是制冷系统输出冷量的设备。
（二）制冷设备 3、节流阀
节流阀的功用是使高压液氨减压到蒸发压力，给液 氨创造蒸发条件。因而节流阀又叫减压阀。要求节
2 液氮制冷： 液氮是制氧过程中的副产品 性质：液氮无色，透明，稍轻于水
惰性强，无腐蚀性，对震动、热、电火花稳定 蒸发温度-195.8℃；气化潜热为197.6kJ/kg 特有的理化性质，理想的制冷工质 以液氮为制冷工质的简单、低温、快速制冷技术得以发展
主要工艺系统包括地面槽车(1)、储氮罐(2)以及管路(3)等。 液氮制冷过程中：液氮既是制冷剂，又是冷媒剂。 液氮制冷系统要比氨制冷系统要简单得多，一般无需建立制冷剂的循环系统，
3.3.2 冻结法原理与设计原则
冻结孔的布置 以井筒同心圆等距离布置在井筒周围。表土较浅时一般采用单圈冻结，对于深厚表土可采用双圈或三圈
冻结。冻结深度大和冻结壁厚时，为缩短冻结时间，也可以布置多圈。 冻结孔布置的圈径：由井筒断面、冻结深度、冻结壁厚度确定。冻结孔的间距一般取0.9～1.3m；孔径
一般比冻结管的管箍外径大10～25mm；冻结孔的深度一般比冻结深度大5～15m；冻结孔的偏斜率 一般小于5‰。
（二）制冷设备
8、盐水循环系统设备
冻结器由冻结管、供液管、回液管 及管盖等组成。冻结管用壁厚为6~ 10mm，直径为127~159mm的无缝 钢管连接而成。供液管直径为50~ 75mm的普通钢管或塑料管。底锥
与供液管底口间应留出一定距离 （>500mm），以防盐水中的沉淀
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3.3.2 冻结法原理与设计原则
3.3.2 冻结法原理与设计原则
3.3.2 冻结法原理与设计原则
（1） 土工性质 内容：
——矿物种类 ——密度 ——含水量 ——饱和度 ——渗透性 ——孔隙率 ——物理状态指标 目的： ——评价冻结法的适宜性和可能性 ——考虑可能的冻结方式
3.3.2 冻结法原理与设计原则
（一）人工地层冻结原理 制冷剂 制冷有多种方式，冻结法通常是利用物质的相变，即由液态变为气态时的吸热过程来达到将土体中的水冷却
、结冰的目的。 能通过相变循环实现制冷的物质称为制冷剂,制冷剂种类也较多，性能参数也有差异。
3.3.2 冻结法原理与设计原则
冻结制冷系统中一般采用氨作为制冷工质。 氨性质：
流阀耐压，密封程度好，阀体外面应绝热。
（二）制冷设备 4、中间冷却器
中间冷却器的功用有三：冷却来自低压机的过热蒸 汽氨；过冷来自冷却器的饱和液体氨；对液氨和油
脂起分离作用。
（二）制冷设备 5、油氨分离器
油氨分离器的功用是使过热蒸汽 中的润滑油粒分离出去，以防油 粒进入冷凝器，在冷凝器内壁上
形成油膜影响热交换效果。
空气浓度达0.5~0.6%时，半小时人即中毒； 当浓度达11~14%时，可燃烧； 当浓度达16~25%时，可引起爆炸。 适用：大、中型制冷机
3.3.2 冻结法原理与设计原则
小型冻结制冷系统中一般采用氟里昂作为制冷工质。 氟里昂是饱和碳氢化合物的氟、氯、溴的衍生物的总称，目前主要用的是甲烷和乙烷的衍生物。
（三）冻结法设计原则 迄今为止，冻结土体设计尚无统一标准(规程、DIN等) 若： (1) 遵循冻结法设计的基本原则 (2) 充分了解和掌握冻结工程特殊边界条件、初始条件 同其他方法一样，冻结法可以达到技术可靠、经济合理
3.3.2 冻结法原理与设计原则
先期准备工作 在进行冻结设计之前，有必要评价：
—— 施工环境 —— 地基的要求 —— 冻结方法适应性等
冻结设计的基础
3.3.2 冻结法原理与设计原则
（1）在施工环境方面 l 环境允许竖向沉降和水平位移的量值 l 是否允许震动 l 允许噪声的大小 l 控制冻胀的范围和量值 l 冻结钻进的可能位置 l 施工场地条件 l 施工工期和时间
3.3.2 冻结法原理与设计原则
（2）在工程条件方面 l 冻土体功能，(1)密封、(2)承载或(3)密封和承载 l 冻土体形状与尺寸 l 地层特征、分层 l 地层初始温度及变化 l 土性：粒径、密度、塑限与液限、含水量、饱和度 l 土的热物理参数，试验
3.3.2 冻结法原理与设计原则
l
可能产生冻胀的土层，细粒土冻胀、融沉试验
l
矿物质：可融性及影响
l
水，地下水位、变化波动范围、流速、方向
l
地下水含盐量
l
冻土强度和变形性质
（3）在技术方法方面 冻结制冷方式，制冷机、液氮或其它冻结方式
必要的预研究内容 （1）土工性质 （2）冻土性质 （3）环境评价 （4）冻土设计 （5）冻土监测
而是直接将液氮在地层中气化吸 热，再将气氮排放至大气中。
(4)—回气，(5)—冻结器
温度
3.3.2 冻结法原理与设计原则
距冻结管 70cm 距冻结管 50cm
液氮冻结时地层温度随时间的变化
时间
3.3.2 冻结法原理与设计原则
3.3.2 冻结法原理与设计原则
3 干冰制冷 固体CO2，一种白色结晶体 性质： 密度1110-1700kg/m3 常压下升华温度-78.9℃， 低压或接近真空状态下-100℃或更低 升华过程中吸收热量137kcal/1kg 可溶于难冻液体，并可使混合物温度降至-100℃ 若周围温度下降、流速加快，可使干冰升华温度降低
标准蒸发温度-33.35℃ 最低蒸发温度可达-70℃ 常温下冷凝压力≤1.47MPa，一般1.2MPa左右
可按任何比例溶于水，每升水可溶1300升氨，放出大量热量 超过0.2%。
一般规定氨中含水量不得
3.3.2 冻结法原理与设计原则
优点：容积制冷量大，价格低廉，易得 缺点：氨蒸气无色，强烈刺激气味，有毒性。
（二）制冷设备 6、贮氨器
贮氨器的作用是贮存液氨，用于调节， 补充系统中氨的用量。
贮氨器与冷凝器内的压力相同，为使 液氨依靠自重流入贮氨器，贮氨器应 放在冷凝器附近，其液氨入口标高应
低于冷凝器出口标高。
（二）制冷设备 7、氨液分离器
使来自蒸发器的液氨分离出去重新蒸发。防止液氨 进缸，产生冲击造成事故。液氨分离原理也是依靠
盐水循环 低温盐水： 加热盐水：
冷却水循环 常温冷却水：
加热冷却水：
8
氨制冷循环：由蒸发器、氨压缩机、冷凝器和节流阀构成系统 饱和蒸气氨(1) 压缩机等熵绝热压缩 高温、高压过热蒸气氨(2) 高温高压过热蒸气氨(2) 冷凝器等压冷却 高压常温液态氨(3) 高压常温液态氨(3) 节流阀等焓降压 低压液态氨(4) 低压液态氨(4) 蒸发器等压蒸发，吸盐水热量 饱和蒸气氨(1)
3.3.2 冻结法原理与设计原则
➢由于干冰的理化性质，可作为固体制冷工质 ➢干冰低升华温度，可直接用于吸收地层热量冻结地层 ➢干冰冻结不需制冷机、制冷循环系统、电、水 ➢简单、廉价、安全、冻结时间短 ➢可采用(1)直接制冷、(2)加不冻液、(3)加压气 ➢ 加速制冷工艺 ➢干冰制冷已得到一些国家的重视和研究，并已成功 ➢ 应用到一些岩土工程中，我国也开始了这一方向研究
（二）制冷设备 1、氨压缩机 （2）螺杆式压缩机
螺杆式压缩机是回转式压缩机的一种，它只有旋转 运动部件，动平衡性能好，几乎无振动，气阀，可
高速旋转。
（二）制冷设备 1、氨压缩机 （2）螺杆式压缩机
具有体积小重量轻的优点，适合作为移动式制冷设 备。输气系数较活塞式压缩机高，尤其在压缩比高 时，优点更为显著。一般其输气系数为0.75~0.90。
氟里昂性质：蒸发温度较低，一般在-40~-80℃之间； 无毒、无味、安全、对金属腐蚀性小，热化学稳定性好。 价格昂贵，易泄漏且不易发现。 单位容积的制冷量小，流动性差，比重较大。
3.3.2 冻结法原理与设计原则
常用制冷剂性能参数
名称
符号
分子式
标准蒸发 温度,℃
氨
R717
NH3
-33.35
二氧化碳
R747
3.3.2 冻结法原理与设计原则 冻结沟槽 在井口周围冻结管的上部挖掘环形冻结沟槽。冻结沟槽内设配液圈和集液圈。
井口环形冻结沟槽
（二）制冷设备
1、氨压缩机
（1）活塞式氨压缩机 按标准制冷能力可分为： 小型机：＜60kw 中型机：60~600kw 大型机：＞600kw
按汽缸中心线的位置分类有卧式，立式，V型，W型 和S型（扇型）压缩机。
CO2
-78.52
二氧化硫
R764
SO2
氟里昂R12
R12
CF2Cl 2
氟里昂R40
R40
CH3Cl
-10.01 -29.80 -23.74
临界温 度, ℃
112.9
临界压力 ,10-5Pa
112.9
临界比 容
,m3/kg
4.4130
Biblioteka Baidu31.0
73.8
2.456
157.5
78.8
1.920
112.04
3.3.2 冻结法原理与设计原则
如果说盐水循环是将地层的热量传给了氨循环，则冷却水循环是将热量释放给大气。 冷却水循环将压缩后的过热蒸气氨冷却为液态氨，以便再蒸发。 冷却水由水泵驱动，通过冷凝器进行热交换。
3.3.2 冻结法原理与设计原则 经过上述循环，冻结管周围土体中温度将随时间而降低
稳定水流中单管冻结土体的扩展以及冻土墙的形 成和扩展
41.2
1.793
143.1
66.8
2.700
凝固温 度,℃ -77.7 -56.6 -75.2 -155.0 -97.6
3.3.2 冻结法原理与设计原则
冷媒剂——传递冷效应的物质，又称载冷剂。 选用原则：冰点低、热容大、不腐蚀、价格低廉的物质
如CaCl2溶液、NaCl溶液、乙醇、空气、氨、各种卤化物。 冻结法通常采用CaCl2溶液作冷媒剂（常称为盐水）。 氯化钙溶液性质：蒸发温度-25~-35℃，溶液密度1.25 ~1.27g/cm3，波美度为29~31°Be，凝固温度-34.6~42.6℃
3.3.2 冻结法原理与设计原则
制冷原理与制冷系统 1 氨制冷：氨为制冷剂，制冷系统由三个循环构成：
l 氨循环系统 l 盐水循环系统 l 冷却水循环系统 上述循环构成热泵，将地层热量通过制冷机排到大气中
Q0 地层热量 L0 压缩作功 QK 冷凝热量
大气 冷 却 水 循 环
氨循环
地层
盐 水 循 环
氨循环 气态氨： 液态氨： 去油脂：
降低蒸气速度和改变流向实现的。
（二）制冷设备 8、盐水循环系统设备
盐水循环系统主要设备有盐水泵、去回路盐水干管、 盐水沟槽、配液与集液圈、冻结器。盐水循环设备应 有良好保温措施，在保温情况下，其冷量损失约占冷 冻站总制冷量的1/4，因此，应特别注意它们的保温 措施。去回路盐水干管铺设在四周保温的沟槽内。