Устройство для зонального азотного замораживания грунтов

 

Изобретение относится к области подземного строительства на больших глубинах с применением искусственного замораживания. Технический результат заключается в уменьшении длины распределительных патрубков, снижении гидравлического сопротивления устройства и расхода жидкого азота. Устройство для зонального замораживания грунтов включает корпус замораживающей колонки, размещенную в нем центральную трубу, соединенную с перфорированными распределительными патрубками, смонтированный на основании вокруг питающей трубы и установленный с зазором относительно корпуса колонки обтекатель и размещенное под ним уплотнительное устройство. Соединение питающей трубы с распределительными патрубками выполнено в уровне основания. Нижняя часть обтекателя охвачена распределительными патрубками, а его верхняя часть снабжена отбойниками. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

Область техники Предлагаемое изобретение относится к подземному строительству на больших глубинах с применением искусственного замораживания.

Уровень техники Известно устройство для зонального азотного замораживания грунтов, включающее герметичный корпус замораживающей колонки с центральной питающей трубой, дополнительной питающей трубой с отверстиями в средней зоне корпуса колонки, под которой расположен закрепленный на центральной питающей трубе клапан, предотвращающий возникновение обратного потока ( акц. з-ка Японии N 52-18488, E 02 D 19/14, 1977).

Известное устройство обеспечивает получение замороженного грунта одинаковой толщины за счет возможности регулирования подачи охлаждающего вещества в дополнительную внутреннюю и центральную питающую трубы.

Однако сложность подбора материала для клапана и высокая стоимость его изготовления, а также трудность монтажа клапана на внутренней поверхности корпуса, выявленные в результате проведенных экспериментов, делают практически невозможным его реализацию.

Известно также устройство для зонального азотного замораживания грунтов, включающее корпус замораживающей колонки, центральную питающую трубу с размещенным на ней обтекателем из пористого теплоизолирующего материала, установленным на основании с зазором относительно корпуса колонки, причем питающая труба соединена с перфорированными распределительными патрубками, а в нижней части корпуса колонки установлено лабиринтное уплотнительное устройство (Ю. А. Филонов и др. Способ зонального азотного замораживания грунтов.- Метро, N 1-2, 1998 , с. 22).

Использование известного устройства для замораживания грунтов обеспечивает создание стабильного столба жидкого азота в проектной зоне и экономию хладагента за счет уменьшения его объемного расхода при уменьшении площади сечения кольцевого зазора внутри корпуса замораживающей колонки посредством установки в зоне замораживания обтекателя из теплоизолирующего материала.

Недостатки, присущие известному устройству, обусловлены его работой в условиях притовотока жидкостной и газообразной фаз, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления, значительно увеличивая тем самым время выхода устройства в заданный режим замораживания. Кроме того, к недостаткам известного решения можно также отнести жесткость конструкции, затрудняющую монтаж устройства, и его повышенную металлоемкость, обусловленную значительной протяженностью распределительных патрубков.

Сущность изобретения Задачей, на решение которой направлено создание предлагаемого изобретения, является повышение эффективности процесса азотного замораживания грунтов.

Технический результат от использования предлагаемого конструктивного решения заключается в уменьшении длины распределительных патрубков, снижении гидравлического сопротивления устройства и расхода жидкого азота.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для зонального азотного замораживания грунтов, включающем корпус замораживающей колонки, размещенную в нем центральную питающую трубу, соединенную с перфорированными распределительными патрубками, смонтированный на основании вокруг питающей трубы обтекатель, установленный с образованием кольцевого зазора относительно корпуса колонки, и размещенное под ним уплотнительное устройство, согласно изобретению, соединение питающей трубы с распределительными патрубками выполнено в уровне основания, причем нижняя часть обтекателя охвачена распределительными патрубками, а его верхняя часть снабжена отбойниками. Между основанием и уплотнительным устройством может быть размещено гибкое центрирующее кольцо. Установленное под ним уплотнительное устройство может быть выполнено в виде криогенного испарителя, соединенного с питающей трубой посредством перепускного канала, при этом выпускные окна испарителя расположены в зоне примыкания испарителя к центрирующему кольцу и могут быть выполнены в виде радиальных или тангенциальных отверстий. Кроме того, охватывающие нижнюю часть обтекателя перфорированные распределительные патрубки могут быть выполнены спиралевидными, а размещенные на поверхности обтекателя отбойники могут быть выполнены в виде наклонных лопаток и могут быть снабжены по краям зубчатой перфорацией.

Такое конструктивное выполнение устройства для зонального азотного замораживания грунтов за счет соединения центральной питающей трубы с распределительными патрубками в уровне основания обеспечивает движение газовой и жидкостной фаз хладагента в одном направлении - снизу вверх, что значительно снижает гидравлическое сопротивление. Вышеназванный эффект обеспечивает также сокращение времени выхода устройства на заданный режим замораживания. Кроме того, при таком соединении питающей трубы обеспечивается значительное сокращение металлоемкости устройства за счет уменьшения длины распределительных патрубков, размещенных только в нижней части обтекателя. При этом обеспечивается возможность установки в верхней части обтекателя отбойников, которые гасят пульсации столба жидкости и снижают унос капель жидкого азота потоком испаренного газа, уменьшая тем самым непроизводительный расход хладагента. Выполнение отбойников в виде наклонных лопаток или снабжение их по краям зубчатой перфорацией повышает эффективность работы отбойников. Спиральное размещение распределительных патрубков позволяет обеспечить более равномерную подачу хладагента в зону замораживания, а также создает в кольцевом столбе жидкого азота центробежные силы, отводящие жидкую фазу, как более тяжелую, к стенкам корпуса, что повышает эффективность процесса теплообмена с грунтом. Усиление центробежного эффекта в кольцевом зазоре также обеспечивается выполнением отбойников в виде наклонных лопаток.

Предлагаемое выполнение уплотнительного устройства в виде криогенного испарителя с выпускными окнами, размещенными в зоне примыкания к гибкому центрирующему кольцу, обеспечивает при испарении незначительного количества жидкого азота, поступающего из питающей трубы через перепускной канал, создание на выходе из испарителя потока газа под давлением. Заполнение этим потоком монтажного зазора между центрирующим гибким кольцом и корпусом замораживающей колонки предотвращает утечки жидкого азота из кольцевого зазора между обтекателем и корпусом. При этом выполнение выпускных окон криогенного испарителя в виде тангенциальных отверстий обеспечивает завихрение потока газа, выравнивая давление под центрирующим гибким кольцом, то есть повышает эффективность уплотнения.

Перечень фигур чертежей Предлагаемое устройство для зонального азотного замораживания грунтов иллюстрируется следующими графическими материалами.

Фиг. 1 - устройство для замораживания грунтов, продольный разрез по корпусу замораживающей колонки; фиг. 2 - соединение центральной питающей трубы с обтекателем и уплотнительным устройством; фиг. 3 - узел соединения центральной питающей трубы с вертикальными распределительными патрубками; фиг. 4 - то же, со спиралевидными распределительными патрубками; фиг. 5 - сечение А-А фиг. 1, вариант радиальных выпускных окон криогенного испарителя; фиг. 6 - то же, вариант тангенциальных выпускных окон криогенного испарителя.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Устройство для зонального азотного замораживания грунтов содержит корпус 1 замораживающей колонки с оголовником 2, центральной питающей трубой 3, обтекателем 4, смонтированным на питающей трубе 3 на основании 5 с образованием кольцевого зазора 6 между корпусом 1 и обтекателем 4. Под основанием 5 обтекателя 4 установлено центрирующее гибкое кольцо 7, выполненное из упругого материала. Центральная питающая труба 3 соединена с распределительными патрубками 8 в уровне основания 5 обтекателя 4 посредством переходника 9 и в случае выполнения уплотнительного устройства 10 в виде криогенного испарителя соединена с последним посредством перепускного канала 11 и переходника 9. Распределительные патрубки 8 выполнены с перфорацией 12, охватывают нижнюю часть обтекателя 4 и могут быть выполнены как вертикальными, так и спиралевидными. В верхней зоне обтекатель 4 снабжен отбойниками 13, которые могут быть выполнены в виде наклонных лопаток, а также могут быть снабжены по краям зубчатой перфорацией (условно не показано). Корпус криогенного испарителя 10 также закреплен на основании 5, в его фланце 14 выполнены выпускные сопла 15 (радиальные или тангенциальные). Устройство устанавливают в корпус 1 замораживающей скважины на проектную отметку 16 с выходом уровня замораживания грунтов на уровень 17, причем гибкое центрирующее кольцо 7 фиксирует основание 5 обтекателя в монтажном зазоре 18 у стенок корпуса 1.

Рассмотрим работу устройства для зонального азотного замораживания грунтов со спиральными распределительными патрубками 8 и уплотнительным устройством 10 в виде криогенного испарителя. Жидкий азот через центральную питающую трубу 3 замораживающей колонки подается в переходник 9, соединенный с перфорированными распределительными патрубками 8. Проходя через перфорационные отверстия 12 в патрубках 7, жидкий азот заполняет кольцевой зазор 6 до проектного уровня 17. При этом жидкий азот движется в распределительных патрубках 8 снизу вверх так, что направление потоков жидкостной и газовой фаз совпадают. По сравнению с известным устройством для зонального азотного замораживания грунтов рассматриваемая схема распределения жидкого азота позволяет существенно снизить гидравлическое сопротивление системы. При этом потоку жидкого азота в кольцевом зазоре 6 придается вращательное движение. Этот эффект еще больше усиливают лопасти отбойников 13. В столбе жидкого азота создаются центробежные силы, которые отжимают частицы жидкости к стенкам корпуса 1. Снижение доли газовой фазы у стенок корпуса 1 повышает эффективность процесса теплообмена и увеличивает скорость зонального замораживания грунта. Отбойники 13 гасят пульсации столба жидкости, предотвращая унос капель жидкого азота потоком испаренного газа и, как следствие, уменьшают расход хладагента. Жидкий азот, поступающий через переходник 9 и перепускной канал 11 в криогенный испаритель 10 (не более 3-5% от суммарного расхода хладагента), испаряется в нем и через выпускные окна 15 газ под давлением заполняет монтажный зазор 18 между корпусом 1 и гибким центрирующим кольцом 7, что предотвращает утечки жидкого азота из кольцевого зазора 6. Таким образом обеспечивается более быстрое формирование проектного уровня жидкого азота в зоне замораживания и его стабилизация.

Формула изобретения

1. Устройство для зонального азотного замораживания грунтов, включающее корпус замораживающей колонки, размещенную в нем центральную питающую трубу, соединенную с перфорированными распределительными патрубками, смонтированный на основании вокруг питающей трубы и установленный с зазором относительно корпуса колонки обтекатель и размещенное под ним уплотнительное устройство, отличающееся тем, что соединение питающей трубы с распределительными патрубками выполнено в уровне основания, нижняя часть обтекателя охвачена распределительными патрубками, а его верхняя часть снабжена отбойниками.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между уплотнительным устройством и основанием размещено гибкое центрующее кольцо.

3. Устройство по пп.1 или 2, отличающееся тем, что уплотнительное устройство выполнено в виде криогенного испарителя с выпускными окнами, выполненными в зоне примыкания к центрующему кольцу и соединено с центральной питающей трубой посредством перепускного канала.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что распределительные патрубки выполнены спиралевидными.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что выпускные окна криогенного испарителя выполнены тангенциальными.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что выпускные окна криогенного испарителя выполнены радиальными.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что размещенные на поверхности обтекателя отбойники выполнены в виде наклонных лопаток.

8. Устройство по любому из пп.1 и 7, отличающееся тем, что отбойники по краям выполнены с зубчатой перфорацией.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6