冻结工程 冻结法原理与设计原则课件

冻结法定义：

用人工制冷方法，将待开挖地下空间周围的土体中的水冻结为冰并与土体胶结在一起，形成一个按设计轮廓的冻土墙或密闭的冻土体，用以抵抗土体压力、隔绝地下水，并在冻土墙保护下，进行地下工程施工的一种岩土特殊施工方法。3.3.2冻结法原理与设计原则冻结法定义：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（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（一）人工地层冻结原理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： 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 一般规定氨中含水量不得超过0.2%。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。 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优点：容积制冷量大，价格低廉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。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小型冻结制冷系统中一般采用氟名称符号分子式标准蒸发温度,℃临界温度,℃临界压力,10-5Pa临界比容,m3/kg凝固温度,℃氨R717NH3-33.35112.9112.94.4130-77.7二氧化碳R747CO2-78.5231.073.82.456-56.6二氧化硫R764SO2-10.01157.578.81.920-75.2氟里昂R12R12CF2Cl2-29.80112.0441.21.793-155.0氟里昂R40R40CH3Cl-23.74143.166.82.700-97.6常用制冷剂性能参数

3.3.2冻结法原理与设计原则名称符号分子式标准蒸发温度,℃临界温度,℃临界压力,13.3.2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冷媒剂——传递冷效应的物质，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3.3.2冻结法原理与设计原则制冷原理与制冷系统Q0地层9氨循环盐水循环冷却水循环液态氨：气态氨：去油脂：低温盐水：加热盐水：常温冷却水：加热冷却水：9氨循环盐水循环冷却水循环液态氨：气态氨：去油脂：低温盐水：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)周而复始循环，可获取-25℃左右的低温盐水一级压缩制冷原理氨制冷循环：由蒸发器、氨压缩机、冷凝器和节流阀构成系统周而复二级压缩制冷原理-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-25℃低温盐水一般不能满足大型岩土工程的需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。3.3.2冻结法原理与设计原则盐水循环：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如果说盐水循环是将地层的热量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3.3.2冻结法原理与设计原则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3.3.2冻结法原理与设计原则2液氮制冷：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，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)—冻结器主要工艺系统包括地面槽车(1)、储氮罐(2)以及管路(3)等3.3.2冻结法原理与设计原则液氮冻结时地层温度随时间的变化3.3.2冻结法原理与设计原则液氮冻结时地层温度随时间的变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3.3.2冻结法原理与设计原则3干冰制冷固体CO3.3.2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‰。3.3.2冻结法原理与设计原则冻结孔的布置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3.3.2冻结法原理与设计原则冻结沟槽井口环形冻结沟槽3.3.2冻结法原理与设计原则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。（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：中型机（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）螺杆式压缩机螺杆式压缩机是回（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。（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。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（1）冷凝器冷凝器有立式，淋水式，立式冷凝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2、冷凝器与蒸发器（2）蒸发器液氨在其中蒸发（沸腾）蒸发器置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。要求节流阀耐压，密封程度好，阀体外面应绝热。（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（二）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（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。（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（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6、贮氨器贮氨器的作用是贮存液氨，用于调节，贮氨器与冷凝器内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降低蒸气速度和改变流向实现的。（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（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。（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），以防盐水中的沉淀物堵塞出口。（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（二）制冷3.3.2冻结法原理与设计原则（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（三）冻结法设计原则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先期准备工作（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（1）在施工环境方面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（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（2）在工程条件方面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

3.3.2冻结法原理与设计原则l

可能产生冻胀的土必要的预研究内容 （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3.3.2冻结法原理与设计原则必要的预研究内容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（1）

土工性质3.3.2冻结法原理与设计原则（2）

冻土性质内容： ——蠕变试验 ——三轴试验 ——冻胀试验目的： ——掌握与时间、温度和荷载有关的强度和变形性质——建立冻结设计的基础3.3.2冻结法原理与设计原则（2）

冻土性质3.3.2冻结法原理与设计原则（3）

环境评价内容： ——上部建筑 ——工场管线 ——交通道路 ——周围建筑目的： ——了解变形（冻胀、融沉）的控制要求 ——确定冻结方式、冻结方案

3.3.2冻结法原理与设计原则（3）

环境评价3.3.2冻结法原理与设计原则（3）

冻土设计内容： ——冻土体中温度及变化 ——冻土体中应力及分布目的： ——计算冻土体的理论尺寸3.3.2冻结法原理与设计原则（3）

冻土设计3.3.2冻结法原理与设计原则（4）

冻土监测内容： ——冻土及未冻土区域的应力、变形和温度量测目的： ——工程环境的观测与控制 ——采用特殊措施的决策基础3.3.2冻结法原理与设计原则（4）

冻土监测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设计工作内容进行一项技术可行、经济合理的冻结工程的前提是在施工前进行冻结设计。工程意义上的冻结项目的设计工作包括：冻结方案、冻结管布置；冻土结构、尺寸、支护、冻结过程、时间、系统、设备冻结监测，等3.3.2冻结法原理与设计原则设计工作内容3.3.2冻结法原理与设计原则冻结项目的设计工作l

设计冻土体结构形式

—地质、水文地质条件 —满足工程强度和/或密封需求 —方便工程施工 —节省工程投资l设计临时支护方法

—纯冻结维护 —与其它方法结合3.3.2冻结法原理与设计原则冻结项目的设计工作3.3.2冻结法原理与设计原则l

优选冻结方案

—

一次冻结

—

分期冻结l

确定冻土体尺寸

—确定外载荷

—确定平均温度

—试验冻土强度

—计算冻土结构强度与稳定性3.3.2冻结法原理与设计原则l

优选冻结方案l

布置冻结管

—确定布置方式：垂直、倾斜、水平、混合

—确定冻结管深度

—确定冻结管间距l

确定冻结过程

—连续冻结、冻结温度

—间歇冻结、冻结温度l

确定冻结时间

—

冻结速率

—

积极冻结时间

—

维护冻结时间

—与工程施工衔接

l

布置冻结管l

设计冻结系统 —选择制冷剂、冷媒剂 —计算制冷量 —设计制冷系统l

设备选型 —选择制冷机组 —布置冻结管路l

设计监测 —监测目的与内容（温度、变形、压力等） —监测传感器 —监测系统l

设计冻结系统3.3.2冻结法原理与设计原则冻结施工步骤所谓“冻结施工”有两个概念：一是土体冻结的实施二是土体冻结实施+冻结工程施工一般，氨循环制冷系统冻结施工工序主要由三大部分组成：冻结站安装冻结孔施工土体冻结3.3.2冻结法原理与设计原则冻结施工步骤3.3.2冻结法原理与设计原则l

冻结站安装—冻结站位置选择以供冷、电、水及排水方便为原则，考虑环境、消防、通风要求，靠近工地—冻结站设备布置站内布置氨循环和盐水循环系统，站外布置冷却水循环系统—冻结站安装程序 可与冻结孔钻进同时进行—管路耐压密封试验 安装完毕，进行耐压、密封试验—管路隔热保温 低压、低温部分隔热、保温，减少损失—管路灌注制冷剂和冷媒剂3.3.2冻结法原理与设计原则l

冻结站安装3.3.2冻结法原理与设计原则l

冻结孔施工

—钻孔布置

—冻结孔钻进

—冻结孔测斜

—冻结管安装l

土体冻结

—盐水流量观测

—管路温差观测

—土体温度观测

—确定冻结时间若设计用液氮冻结或干冰冻结，则冻结站安装工作要简化得多

3.3.2冻结法原理与设计原则l

冻结孔施工若设计用液氮冻冻结法定义：

用人工制冷方法，将待开挖地下空间周围的土体中的水冻结为冰并与土体胶结在一起，形成一个按设计轮廓的冻土墙或密闭的冻土体，用以抵抗土体压力、隔绝地下水，并在冻土墙保护下，进行地下工程施工的一种岩土特殊施工方法。3.3.2冻结法原理与设计原则冻结法定义：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（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（一）人工地层冻结原理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： 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 一般规定氨中含水量不得超过0.2%。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。 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优点：容积制冷量大，价格低廉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。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小型冻结制冷系统中一般采用氟名称符号分子式标准蒸发温度,℃临界温度,℃临界压力,10-5Pa临界比容,m3/kg凝固温度,℃氨R717NH3-33.35112.9112.94.4130-77.7二氧化碳R747CO2-78.5231.073.82.456-56.6二氧化硫R764SO2-10.01157.578.81.920-75.2氟里昂R12R12CF2Cl2-29.80112.0441.21.793-155.0氟里昂R40R40CH3Cl-23.74143.166.82.700-97.6常用制冷剂性能参数

3.3.2冻结法原理与设计原则名称符号分子式标准蒸发温度,℃临界温度,℃临界压力,13.3.2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冷媒剂——传递冷效应的物质，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3.3.2冻结法原理与设计原则制冷原理与制冷系统Q0地层64氨循环盐水循环冷却水循环液态氨：气态氨：去油脂：低温盐水：加热盐水：常温冷却水：加热冷却水：9氨循环盐水循环冷却水循环液态氨：气态氨：去油脂：低温盐水：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)周而复始循环，可获取-25℃左右的低温盐水一级压缩制冷原理氨制冷循环：由蒸发器、氨压缩机、冷凝器和节流阀构成系统周而复二级压缩制冷原理-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-25℃低温盐水一般不能满足大型岩土工程的需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。3.3.2冻结法原理与设计原则盐水循环：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如果说盐水循环是将地层的热量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3.3.2冻结法原理与设计原则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3.3.2冻结法原理与设计原则2液氮制冷：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，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)—冻结器主要工艺系统包括地面槽车(1)、储氮罐(2)以及管路(3)等3.3.2冻结法原理与设计原则液氮冻结时地层温度随时间的变化3.3.2冻结法原理与设计原则液氮冻结时地层温度随时间的变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3.3.2冻结法原理与设计原则3干冰制冷固体CO3.3.2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‰。3.3.2冻结法原理与设计原则冻结孔的布置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3.3.2冻结法原理与设计原则冻结沟槽井口环形冻结沟槽3.3.2冻结法原理与设计原则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。（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：中型机（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）螺杆式压缩机螺杆式压缩机是回（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。（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。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（1）冷凝器冷凝器有立式，淋水式，立式冷凝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2、冷凝器与蒸发器（2）蒸发器液氨在其中蒸发（沸腾）蒸发器置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。要求节流阀耐压，密封程度好，阀体外面应绝热。（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（二）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（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。（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（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6、贮氨器贮氨器的作用是贮存液氨，用于调节，贮氨器与冷凝器内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降低蒸气速度和改变流向实现的。（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（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。（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），以防盐水中的沉淀物堵塞出口。（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（二）制冷3.3.2冻结法原理与设计原则（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（三）冻结法设计原则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先期准备工作（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（1）在施工环境方面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（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（2）在工程条件方面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

3.3.2冻结法原理与设计原则l

可能产生冻胀的土必要的预研究内容 （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3.3.2冻结法原理与设计原则必要的预研究内容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（1）

土工性质3.3.2冻结法原理与设计原则（2）

冻土性质内容： ——蠕变试验 ——三轴试验 ——冻胀试验目的： ——掌握与时间、温度和荷载有关的强