[发明专利]一种螺旋形液氮冻结器及方法

说明书

一种螺旋形液氮冻结器及方法，适用于地下工程的人工冻结施工。包括螺旋结构的供液管和回气管，供液管和回气管相互连接，并设有供液管口和回气管口，供液管的螺旋圈和回气管的螺旋圈的尾端相互连接且两者之间交错布置、互相之间不直接接触。其冷量损失少，充分发挥液氮快速冻结特点。直接贴近需要冻结的地层，提高了冷量向地层内的传递效率，发挥液氮制冷效率高的优势。螺旋形液氮冻结器可以直接应用于不同深度的地层冻结工程中，通过调节螺旋管之间的间隔，来控制不同深度位置的冻结效果，实现不同深度的差异冻结。

技术领域

本发明涉及一种螺旋形液氮冻结器及方法，尤其适用于地下工程的人工冻结施工的一种螺旋形液氮冻结器及方法。

背景技术

城市地下工程建设过程中，在穿越软弱富含水砂土层等复杂地质情况时，常采用人工冻结技术来进行地层加固，改良地层性能，以实现在含水地层中完成地下工程的施工，而液氮冻结作为一种高效、省时的冻结方法，在市政地下工程中得到了广泛的应用。目前液氮冻结中使用的液氮冻结器，其构造为在钢质冻结管内部插入直径较小的供液管，构成冻结循环系统。液氮冻结时，低温液氮从供液管口灌入，经供液管流入冻结管底部后吸热气化，气化后的高温氮气沿冻结管与供液管之间的环形空间内向上流动，通过冻结管口排入大气，形成冻结循环。由于供液管被气化后的高温氮气包围，流经供液管的液氮先行与周围的高温氮气进行热交换而气化，所以当冻结管较长时，供液管内的液氮与周围的氮气热交换距离长，供液管无法将液氮输送到冻结管底部。而且冻结管管口排出的氮气与供液管内的液氮进行热交换后直接排入大气，大大增加了液氮冷量的损失。针对这一情况，现提出一种新型的液氮冻结器，即螺旋形液氮冻结器，通过隔离供液管和回气管，避免液氮和高温氮气的直接热交换，从而实现液氮的长距离输送和减少冷量损失的效果，提高液氮冻结的效率。

发明内容

针对上述技术目的不足之处，提供一种结构简单，使用效果好，供液管与氮气之间热交换造成的冷量损失小、液氮冻结效率高，便于液氮长距离输送的螺旋形液氮冻结器及方法。

为实现上述技术目的，本发明的螺旋形液氮冻结器，包括供液管和回气管，供液管和回气管的一端相互连接，另一端分别设有供液管口和回气管口，其中供液管和回气管为螺旋结构，供液管上设有与冻结孔的直径相同的供液管螺旋圈，回气管上设有与冻结孔的直径相同的回气管螺旋圈，供液管的螺旋圈和回气管的螺旋圈的尾端相互连接且两者之间交错布置、互相之间不直接接触，供液管的螺旋圈和回气管的螺旋圈之间设有固定两者位置的多根支撑钢筋，不同位置的供液管螺旋圈和回气管螺旋圈的竖向间隔距离根据工程需要调整，通过不同间距来控制竖向不同位置的冻结效果，实现竖向的差异冻结。

工程纵向深度在5～10m处时所需冻结壁厚度为3m，地表至地下5m所需冻结壁厚度为1m时，将供液管和回气管构成的螺旋形冻结器0～5m处相邻螺线圈之间间距调大，5～10m处相邻螺线圈间距调小，以实现不同深度差异冻结。

所述供液管和回气管上的供液管的螺旋圈和回气管的螺旋圈竖向之间使用支撑钢筋固定连接。

一种螺旋形液氮冻结方法，其步骤为：

根据设计尺寸和位置施工冻结孔，将螺旋形液氮冻结器的供液管螺旋圈和回气管螺旋圈加工为尺寸与冷冻孔匹配的尺寸，并使用支撑钢筋将两者联系在一起，保证施工过程中供液管螺旋圈和回气管螺旋圈之间的距离不改变，提高液氮冻结器的稳定性，将尺寸匹配的螺旋形液氮冻结器放入冻结孔，同时保证供液管和回气管上的供液管螺旋圈和回气管螺旋圈紧贴冻结孔边缘的地层，以保证液氮冷量直接传递到地层中；

冻结时，将低温液氮从供液管口灌入供液管中，液氮通过供液管的过程中迅速与周围接触的地层发生热量交换，实现地层冻结，而液氮在到达与回气管连接处气化成高温氮气，顺着回气管向上流动，由于气化后的氮气仍然会夹杂一部分液氮，在向上排放的过程中残余的液氮会继续气化吸热同时再次与地层发生冷量交换，将冷量传递给地层，实现二次冻结，最后通过回气管口排入大气中，整个循环过程中，液氮和氮气之间不发生热量交换，以提高液氮冻结效率。