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第4 2卷第 6期 2 0 1 5年 6月 探 矿工程( 岩土钻掘工程 ) E x p lo r a t i o n E n g in e e r i n g( Ro c k& S o i l Dr i ll in g a n d T u n n e l in g ) Vo 1 42 No 6 J u n 2 01 5： 5 35 8 制冷液温度对地下冷冻墙制冷效果影响的有限元分析 翟国兵 ， 赵大军，张金 宝，刘玉民，孙梓航 ，刘华南 ( 吉林大 学建设 工程学院， 吉林 长春 1 3 0 0 2 6 ) 摘要 ： 油页岩原位开采 、 矿 山竖井施 工 、 基坑 支护 等工程 中， 常采 用地下 冷冻墙 进行止 水和护 壁。在地 下冷冻墙 制 冷系统中， 制冷液温度影响冻结交圈时间， 进而影响地下冷冻墙的制冷效率， 更影响工程的施工成本及运行费用。 通过有限元模拟 ， 对制冷过程中地下温度场进行理论分析 ， 得出制冷液温度对地下温度场的影响规律， 并对制冷液 温度进行优化， 得到在制冷机组制冷或风冷制冷方式下， 制冷液温度应在 一1 0一一1 5较为合适的结论， 为提高地 下冷冻墙制冷效率提供理论指导。 关键词： 地下冷冻墙； 有限元模拟； 制冷液温度； 制冷效率 中图分类号 ： T D 2 6 ； T U 4 7 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 7 4 2 8 ( 2 0 1 5 ) 0 6 0 0 5 3 0 6 Finit e Ele me nt Ana lys is o n t he I n fl ue n c e o f Co oling Liquid Te mpe r a t ur e on the Re f r ig e r a t io n Ef f e c t of Unde r - g r o u n d F r o z e n Wa lI Z H A I G u o b i n g ，Z H A O D a n ， Z H A NG fi n b a o ， U Y u rai n ， S U N Z i h a n g ， U Hu a n a n( C o l le g e o f C o n s t r u c t io n E n g i n e e r i n g ， J il in U n iv e r s i t y ， C h a n g c h u n J i l in 1 3 0 0 2 6 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：F o r o il s h a le in s it u min in g ，min e s h a f t c o n s t r u c t io n a n d u n d a t io n p it s u p p o a，u n d e r g r o u n d f r o z e n wa ll s h o u ld b e bu ilt t o p r e v e n t u n de r g r o un d wa t e r fl o win g in t o t he minin g a r e a a nd t he le a ka g e o f o il a n d g a s Co o lin g liqu id t e mp e r a t u r e o f u nd e r g r o u n d f r o z e n wa ll no t o nly a f f e c t s f r e e z in g c lo s ur e t ime，b u t a ls o a f f e c t s t h e r e f r ig e r a t io n e f fi c ie n c y o f t h e a n d e r g r o u n d f r o z e n wa ll a nd f u r t he r a f f e c t s t he e n t ir e c o s t s o f t he c o n s t r u c t io n a n d o p e r a t io nBy t h e fi n it e e le me n t s imula t io n a n d t h e t h e o r e t ic a l a n a ly s is o n t h e u n d e r g r o u n d t e mp e r a t u r e fi e ld i n t h e r e f r i g e r a t i o n p r o c e s s ，t h e i n fl u e n c e la w o f c o o l in g fl u id t e mp e r a t u r e o n t he u nd e r g r o un d t e mpe r a t u r e fi e ld wa s f 0 u nd a n d t he c o o lin g liqu id t e mp e r a t u r e wa s o p t imiz e dI t wa s c o n c lu d e d t h a t u n d e r r e f r ig e r a t io n mo d e s o f r e f r ig e r a t io n u n it o r a ir c o o lin g ，t h e a p p r o p r ia t e t e mp e r a t u r e o f c o o lin g fl u id s h o u ld b e 一1 0 t o 一1 5 w h ic h c o u ld b e t h e t h e o r e t ic a l g u id a n c e t o imp r o v e t h e r e f r ig e r a t io n e ffi c ie n c y o f u n d e r g r o u n d f r o z en wa l1 Ke y wo r d s ：u n d e r g r o u n d f r o z e n w a l l ；fi n i t e e l e me n t s i mu l a t i o n；c o o li n g l iq u id t e mp e r a t u r e ；r e f r ig e r a t i o n e ffi c i e n c y O 引言 在油页岩原位高温开采过程中 ， 需建立安全可 靠的地下冷冻墙 以隔绝周 围的地下水渗入 ， 防止油 气泄漏 。地下冷冻墙还可用于矿 山竖井 开挖 、 基 坑临时支护等领域 ， 目前在竖井开挖 中应用最为广 泛 。冷冻墙形成冻结的过程 为： 冻结管周 围的地层 冻结 ， 形成圆柱体 ， 冻结柱体沿径 向扩展 ， 在相邻冻 结体之间形成冻结交圈 。最后 ， 冻结交圈发展成 为冷冻墙屏障。 地下冷冻墙 的制冷液温度影响冻结交圈时问、 制冷效率及成本 。因此 ， 本文基于有 限元模拟 ， 分析 制冷液温度对地下温度场的影 响规律 ， 优化在不 同 制冷方式下 的制冷液温度 ， 有利于提高制冷效率 、 节 约能源 、 减少施工成本和运行费用 ， 为地下工程建设 尤其是油页岩原位开采提供技术支撑 ， 具 有非常重 要的理论及现实意义。 在应用地下冷冻墙于油页岩原位开采方面 ， 国 内相关研究报道极少 ， 国外 的壳牌公司对此研究相 对成熟 I 4 。关于人工冻结 ， 国内外学者 主要集 中 于冻结井结构设计 、 冻结土物理力学性质及冻 土帷 幕温度等方面研究。李功洲对现场冻结壁温度场和 位移进行实测研究， 认为降低冷冻液的温度可提高 冻结壁的扩展速度 ， 提高强度 ， 同时可抑制深井壁的 位移过大 。李述训 等基于数学建模 描述 了岩土 冻结过程中温度场变化规律 ， 并结合实测资料研究 了相邻冻结管之间温度场扩展变化及外侧冻结壁的 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 2 0 6 ；修回 日期 ： 2 0 1 50 4 2 1 基金项目： 教育部、 财政部、 吉林省人民政府联合资助的跃升计划项 目“ 国家潜在油气资源( 油页岩勘探开发利用) 产学研用合作创新项目” 之“ 油页岩地下冷冻墙技术研究” ( 编号 ： O S R一0 60 2 ) 作者简介 ： 翟 国兵 ， 女 ， 汉族 ， 1 9 9 1年生 ， 硕 士研究 生在读 ， 地质 工程专业 ， 从 事岩土 钻凿工 艺及机具 的研究工作 ， 吉林省长 春市 西民主 大街 9 3 8号 ， 1 0 5 7 1 7 0 6 5 3 q q c o m。 探 矿工程( 岩土钻掘工程 ) 2 0 1 5年 6月 形成变化规律“ 。 。 但国内研究仅限于分析模拟冻结过程中整个冻 结井温度场的变化和冻结交圈规律， 从理论上预测冻 结井温度场的影响因素， 并未在明确控制其它变量的 条件下研究制冷液温度对制冷效果的影响规律。本 文基于有限元分析方法 ， 对制冷液温度对地下冷冻 墙制冷效果的影响规律进行 了分析研究 ， 并 以提高 效率、 降低成本为 目标 ， 对制冷液温度进行优化。 1 基本理论及模型建立 1 1 假设条件与理论基础 为便 于分析求解地下换热器复杂的换热过程 ， 作出以下假设 ： ( 1 ) 假设在传热过程 中， 土体物理成分 、 热物性 参数保持不变 ； ( 2 ) 假设换热器 内同一截面流体速度 、 温度分 布均匀； ( 3 ) 假设热 量传递 在土体 中沿径 向和垂直方 向， 忽略圆周方 向的导热过程； ( 4 ) 假设 回填土与孔壁 、 换热器与 回填土接触 完好 ， 忽略接触热阻 ； ( 5 ) 假设土体与换热器之间热量传递 为纯导热 的传热过程 ， 忽略水分迁移 的影响 ； ( 6 ) 在所建求解 区域 物理模型 中， 假设 求解 区 域半 径 为远 边 界 半 径 ， 由远 边 界 理 论 可 知 4 、 o ， 为确保计算精度， 避免受热流扩散影响， 应将 远边界半径选取 的足够大 ， 此处选取为 1 0 1 T I 。 根据以上假设条件 ， 建立地 面以下径向二维瞬 态 的传热模 型如图 1 ， 管外侧土体热传导是径 向一 维不稳定传热方式 ， 其在平面直角坐标系内满足下 列热传导微分方程 ： 图 1 求解区物理模型 ( )： 0o ，b 0 ( 2 ) o ， 0 =0 ， r b ， 丁= 0 ( 3 ) 式中， r 土体半径 ， in ； o 土体导温 系数 ， m S ； 土体导 热系数 ， W ( m ) ； 过余 温 度( 0=t t 0 ) ， ； t o 初始 温度 ， o C； 0 f 管 内 载冷剂的过余温度( 0 ， =t 一t 。 ) ， ； t f 载冷剂在 换热器内平均温度 ， ； 载冷剂与孔壁 问对流 换热系数 ， W ( 1T I ) ； 丁 时间， S 。 1 2 传热初始条件与边界条件 初始温度值 为在实验系统未运行时 ， 在换热器 中注 入 制 冷 液 后 ， 待 地 下 温度 稳 定 时所 测 温度 值 。由实验现场数据得 ， 地下 4 I l l 以深初始温 度平均值为 8 2 5， 所以取该值为模拟的初始温度 值 1 1 ： t 0 1 ： 0 = 8 3 5 cc 热流密度 Q在地下换热器内壁均匀加载， 忽略 循环介质影响， 低温循环液的平 均温度 即为冻结管 内壁平均温度 ， 即： Q ：一 k o T _T I O n I r 式 中： Q 热流密度 ， J ( m S ) ； 换热器导 热系数 ， W ( m ) ； n 经过该点等温线上的法 向单位矢量 ； 厂地下埋管换热器的内壁。 2 仿真模拟与分析 2 1 模型建立与网格划分 本文采用 A N S Y S分析软件模拟不同制冷 工况 下 的 地 下 土 体 温 度 场 变 化 情 况 ， 采 用 A N S Y S P L A N E 5 5单元 ， 单元 中每个节点 只有一个 自由度， 即为温度。采用 自动划分 网格 ， 冻结 管及整个求解 区域的网格划分情况如图 2所示 。对于 1 6个 同轴 管换热器区域 ， 由于温度变化 明显 ， 温度梯度较大 ， 因此此区域 网格划分细密 ， 网格最大边长 5 mm， 网 格精度为 5； 对于其它区域 ， 划分网格时采用按 比例 增大 ， 控制网格最大边长 5 0 m m。 2 2 模拟参数设计 在仿真分析温度对冻结效果的影响时模拟相关 参数如表 1 所示。 获取数据时 ， 选取5 个温度采集孔 。 如图3 所示 ， 第 4 2卷第6期 翟国兵等： 制冷液温度对地下冷冻墙制冷效果影响的有限元分析 5 7 图 8 不 同制冷液温度下各个测点温度值曲线 图 9不 同制 冷 液 温 度 下 各 个 测 点 温 度 降 低 值 曲 线 制冷液 一1 5时， 除 4号测温孔仍在 0 以上 ， 其 他各孔均达到完全冻结 。制冷液 一 2 0 时 ， 除 4号 以外各测温孔仍均处于完全冻结状态 ， 且各 自温度 均低于 一1 5 时所 测 ， 4号 温度 虽降低 至 一0 4 5 ， 但未完全冻结。从 一5一1 5 ， 达到完全冻结 状态的测温孔 逐渐增 多 ， 说 明完 全冻结 区域 面积 ( 一 2以下) 随制冷液温度降低而扩大。而5号、 1 号、 2号 、 3号依次达到完全冻结状态 ， 说明冻结圈在 冻结管内侧扩展速度快于外侧 ， 并且 由于地层冻结 交圈作用 ， 位于两相邻冻结管 中间地层冻结速度最 快 ， 冻结效率最高。 在同一制冷液温度下 ， 5号温度值均为最低 ， 1 号、 2号测温 曲线温度值低于 3号 、 4号温度值 ， 且 1 号温度均低于 2号 ， 3号均低 于 4号 ； 5号温度降幅 最大 ， 1号 、 2号降幅大于 3号 、 4号 ， 1号降幅大于 2 号 ， 3号大于 4号。说明沿冻结管所排布的圆周 ， 其 内侧的制冷效果和速率强于外侧 ， 并随距 冻结管 中 心距离增大而减弱。制冷受冻结交圈作用影响 ， 相 邻冻结管之间地层制冷效果最好 ， 效率最高。 同时可以看出， 制冷液温度 由 一1 5 c C降低为 一 2 0时 ， 虽然各个测温孔温度均降低 ， 但达 到完全 冻结状态的测温孔个数并未增多 。而图 9中4号测 温孔温度降低幅度在 一5一1 0增长缓慢 ， 在 一 1 0一1 5增长迅速 ， 在 一1 5一 2 0温度降低幅 度有轻微下降 ， 说 明地层 制冷效果随制冷液温度 的 降低而增强 ， 但过低的制 冷液温度对冻结管外 围的 地层的制冷效果影响不大。 3 冷冻液温度的优化 为优化地下冷冻墙的制冷液温度， 将制冷液温 度分别设定为 一 5 、 一7 5 、 一1 0、 一1 5 、 一 2 0 、 一2 5 进行模拟冻结 ， 得到不 同制冷液温度下的冻结交圈 时间。制定 以制冷液温度为横 坐标 ， 交圈时间为纵 坐标的坐标系 ， 将以上点绘制在坐标系中， 并将其拟 合成一条曲线 ， 如图 1 0所示。 图 1 0 冷冻液温度与交圈时间趋势 由图 1 O可知 ， 总体上， 从 一5一2 5， 交 圈时 间随制冷液温度的降低而减少 ， 但在不同的温度段 降低的趋势有所不同。 温度 由 一 5一l 0 c c， 曲线基本呈直线状下降 趋势 ， 交圈时问随温度降低而迅速减少 ； 温度由 一1 0 一 1 5 c C， 曲线呈 凹形 ， 交 圈时间随温度降低而减 少 的趋势放缓 ； 温度 由 一1 5一 2 5， 曲线更加平 缓呈近似水平直线状态 ， 交 圈时 间随温度的降低变 化很小 ， 基本趋于稳定。 分析产生 以上趋势 的原因为： 在制冷液温度较 高的条件下 ， 地层与制冷液温度梯度较小 ， 使得地层 温度降低速度较慢。随着制冷系统 的运行 ， 地层温 度逐渐下降 ， 当其降低至 0 o C以下而开始冻结时， 温 度梯度更小 ， 温度下降速率更慢 ， 冻结 时问延长 ， 因 此交圈时问较长。而在制冷液温度过低 的条件下 ， 地层与制冷液温度梯度虽较大 ， 但 由于冻结过程受 地层热传导系数限制 ， 温度下 降速率达到最大值并 保持稳定 ， 因此冻结交 圈时间值虽小却不能无 限缩 短 ， 最终趋于稳定值 。 通过对可变成本 中的制冷功率及电费、 设备折 旧费 、 材料费 、 钻进费 、 检查费等费用的综合分析 ， 将 不同制冷液温度方案的成本整理并绘制曲线如表 2 及图 1 1 所示。可以看出， 成本随制冷液温度 的降低 而增大 ， 在 一 5一 7 5(， 曲线较平缓 ， 成本随制冷 液温度降低变化幅度不大； 在 一 7 5 一 1 5， 曲线 5 8 探矿 工程 ( 岩土钻掘工程 ) 2 0 1 5年 6月 图 1 1 不 I司制冷液温度的成本 曲线 因此从交圈时间曲线可知， 当制冷液温度高于 一 l 5时， 随制冷液温度降低 ， 交 圈时间有较 大的 降低空间， 冻结速率提高较快 ， 而 当制冷温度低于 一 1 5 c lC时， 随制冷温度降低 ， 交圈时问基本趋于稳定 ， 变化幅度极小 ， 冻结速率提高空间极小 。同时 由成 本曲线可看出， 若采用制冷机组制冷 ， 制冷液温度越 低 ， 所需制冷机组功率越大， 当制冷液温度低于 一1 5 c I = 时 ， 设备的投资与运行成本会大幅增加 ； 若采用风 冷机组制冷 ， 制冷液温度受制于环境温度影响 ， 利用 东北地 区冬季 自然冷源 ， 环境温度平均温度 为 一1 5 ， 制冷液平均温度可达 一1 0。因此综合考虑各 种 因素条件 ， 虽然由前文可知随制冷液温度下降 ， 地 层制冷温度降低 ， 但过低 的制冷液温度对冻结交圈 速度的提高影响不大 ， 并且一味追求更低的制冷温 度还会受到成本和环 境等 因素 的制约 ， 因此 ， 采 用 制冷机组制冷或风冷制冷方式 ， 选取制冷液温度在 一 1 0一1 5较为合适。 4结 论 ( 1 ) 以地下冷 冻墙实验平 台为模拟 对象 ， 使用 A N S Y S数值模拟软件 ， 进行 了制冷液温度对冻结效 果影响的相关模拟分析 ， 得 到了不 同制冷液温度下 的温度场 。 ( 2 ) 在综合考虑地下冷冻墙交 圈时间 、 制 冷效 率 、 工程成本等因素 ， 对制冷液温度进行优化 ， 得出 在制冷机组或风冷制冷方式下 ， 制冷液温度应在 一 1 0一1 5较为合适 。 虽 已进行 了很多研究工作 ， 但受限于软件模拟 精度、 网格划分细密程度等因素， 仍存在不足之处。 在之后 的研究工作中，