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1、第2章 冻结法,1 概述 2 蒸汽压缩制冷 3 冻结法施工 4 冻结方案 5 冻土物理力学性质 6 冻结温度场 7 冻结壁计算 8 冻结井壁 9 冻结法设计计算,第2章 冻结法,1 概述 1.1 冻结法的实质与特点 1.2 冻结法的起源与发展 1.3 冻结法凿井原理,第2章 冻结法,1 概述 1.1 冻结法的实质与特点,冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行井筒或地下工程掘砌施工的特殊施工技术。 冻结法的实质：利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。,第2章 冻结法,1 概述 1.1 冻结法的实质
2、与特点,冻结法的特点： 能有效隔绝地下水； 适用性强，几乎不受地层条件限制； 灵活性好； 污染性小； 经济合理；,第2章 冻结法,1 概述 1.2 冻结法的起源与发展,冻结法起源与天然冻结。人工制冷技术的发展和应用，产生了工程冻结。 1862年，英国南威尔士在建筑基础施工中，首先使用了人工制冷加固土壤。 1883年，德国工程师波茨舒(F.H.Poetsch)在德国阿尔巴里德煤矿用冻结法开凿了深度103m的井筒，并获专利。 1955年，我国在开滦林西风井开始使用冻结法凿井，冻结深度105m。 目前，我国最大冻结深度为702m。,第2章 冻结法,1 概述 1.3 冻结法凿井原理,立井冻结凿井是利用
3、传统的氨循环制冷技术来完成的。它是在井筒开挖之前，用人工制冷的方法，将井筒周围含水地层冻结成一个封闭的不透水的帷幕-冻结壁，用以抵抗地压，水压，隔绝地下水与井筒之间的联系。而后，在其保护下进行挖砌施工。 三大循环系统：盐水循环、氨循环和冷却水循环。制冷三大循环构成热泵，其功能是将地层中的热量排到大气中去。,第2章 冻结法,1 概述 1.3 冻结法凿井原理,第2章 冻结法,2 蒸汽压缩制冷 2.1 焓、熵及压焓图 2.2 一级压缩制冷 2.3 二级压缩制冷 2.4 制冷工质与冷媒剂 2.5 制冷设备,第2章 冻结法,2 蒸汽压缩制冷 2.1 焓、熵及压焓图,1、焓(h) 定义：单位质量工质内的能
4、量，又称作比焓。单位kJ/kg。 下面以活塞对单位工质做功为例，进一步说明焓的物理意义。,第2章 冻结法,2 蒸汽压缩制冷 2.1 焓、熵及压焓图,1、焓(h) 假定活塞处于稳定工作状态，即进出口参数保持不变，则单位时间内加入体系的能量应等于输出的能量。 流量为G=1kg/s时，加入和输出的能量：,l0活塞单位压缩理论功，kJ/kg； g重力加速度，g=9.8m/s2； q汽缸之比热损耗，kJ/kg； u1，u2工质进出口的比内能，kJ/kg； c1，c2 工质进出口的速度，m/s； v1，v2工质进出口的比容，m3/kg； p1，p2工质进出口的压力，Pa； z1,，z2 工质进出口的标高，
5、m。,第2章 冻结法,2 蒸汽压缩制冷 2.1 焓、熵及压焓图,1、焓(h) 由能量守恒定律可得：,汽缸的比热损耗：,令：,另：,则：,若汽缸无损耗，则：,稳定流方程,比焓=比内能+比压能,第2章 冻结法,2 蒸汽压缩制冷 2.1 焓、熵及压焓图,1、焓(h),若系统中无压缩机对工质做功，即l0=0，则：,换热器(冷凝器、蒸发器)计算,再若系统中无热量损耗，即q=0，则：,节流器计算,第2章 冻结法,2 蒸汽压缩制冷 2.1 焓、熵及压焓图,2、熵(S) 熵是热工学中一个重要参数，通常所说的熵即指比熵，以符号“S”表示。,微熵 kJ/(kg.K),吸热kJ/kg,温度 K,状态1至2的熵差为：
6、,熵差 kJ/(kg.K),定容平均比热kJ/(kg.K),气态常数,比容 m3/kg,第2章 冻结法,2 蒸汽压缩制冷 2.1 焓、熵及压焓图,2、熵(S) 熵无简单物理意义，它只是工质的状态参数。熵值增加是吸热过程，反之为放热过程，绝热过程为等熵，熵表示工质与外界热交换的方向性。,第2章 冻结法,2 蒸汽压缩制冷 2.1 焓、熵及压焓图,3、压焓图(lgp-h图),图中工质状态可用下式表示 f(p, h, x, t, V, S ） 式中 p氨的绝对压力，Mpa; h氨的焓，kJ/kg； x干度，表示1kg湿蒸气中饱和蒸气含量。x=0表 示饱和液体线；x=1表示饱和蒸气线；0x1的区域称为湿
7、蒸气区x0的区域为液态区；x1的区域称为过热蒸气区； t温度，。等温线在液态区是一组平行于lgp轴 直线，在湿蒸汽区是一组平行于h轴的直线，在过热蒸气区是一组向图的右下方倾 斜的曲线； V比容，m3/kg； S熵，等熵线始于横坐标，向图的上方倾斜，倾斜大于等容线， kJ/(kg.k),第2章 冻结法,2 蒸汽压缩制冷 2.2 一级压缩制冷,1、一级压缩制冷原理 一级压缩制冷由三大循环构成：氨循环、盐水循环和冷却水循环。,氨循环 压缩机：将饱和蒸汽氨(1)等熵压缩为高温高压的过热蒸汽氨(2)； 冷凝器：将过热蒸汽氨(2)等压冷却为高压常温液态氨(3)； 节流阀：将高压常温液态氨等焓转变为低压液态
8、氨(4)； 蒸发器：将低压液态氨(4)等压蒸发为饱和蒸汽氨(1)。,第2章 冻结法,2 蒸汽压缩制冷 2.2 一级压缩制冷,1、一级压缩制冷原理 一级压缩制冷由三大循环构成：氨循环、盐水循环和冷却水循环。,氨循环 在制冷过程中起主导作用。为了使地热传递给冷却水再释放给大气，必须将蒸发器中之饱和蒸汽氨压缩成为高压高温的过热蒸汽，使与冷却水产生温差，在冷凝器中将热量传递给冷却水，同时过热蒸汽氨冷凝成液态氨，实现气态到液态的转变。液态氨经节流阀将压流入蒸发器中蒸发，再吸收其周围盐水中之热量(地热)变为饱和蒸汽氨。,第2章 冻结法,2 蒸汽压缩制冷 2.2 一级压缩制冷,1、一级压缩制冷原理 一级压缩
9、制冷由三大循环构成：氨循环、盐水循环和冷却水循环。,盐水循环 在制冷过程中起着冷量传递作用。 冷却水循环 在制冷过程中作用是将压缩机排出的过热蒸汽冷却成液态氨，以便进入蒸发器中重新蒸发。,第2章 冻结法,2 蒸汽压缩制冷 2.2 一级压缩制冷,1、一级压缩制冷原理,氨循环 4-1，等压蒸发：单位理论制冷量q0=h1-h4 1-2，等熵压缩：单位理论压缩功l0=h2-h1 2-3，等压冷凝：单位冷凝热量qk=h2-h3=q0+l0 系统制冷效率：0=q0/l0=(h1-h4)/(h2-h1)表示单位压缩理论功所能制取的冷量，称为制冷系数。 以上四项称为一级压缩制冷系统的四个热参数。,第2章 冻结
10、法,2 蒸汽压缩制冷 2.2 一级压缩制冷,1、一级压缩制冷原理,盐水循环 该循环系统由盐水箱、盐水泵、去路盐水干管、配液圈、冻结器、集液圈和回路盐水干管组成。 冻结器是低温盐水与地层进行热交换的换热器，盐水流速越快，换热强度就越大。冻结器由冻结管、供液管和回液管组成。根据工程需要可采用正、反两种盐水循环系统，正常情况下用正循环供液。,第2章 冻结法,2 蒸汽压缩制冷 2.2 一级压缩制冷,1、一级压缩制冷原理,冷却水循环 冷却水把氨蒸汽中的热量释放给大气。冷却水温度越低，制冷系数就越高，冷却水温一般较氨的冷凝温度低510。冷却水由水泵驱动，通过冷凝器进行热交换，然后流入冷却塔再入冷却水池，冷
11、却后的循环水应随时由地下水补充。,第2章 冻结法,2 蒸汽压缩制冷 2.2 一级压缩制冷,2、实际制冷能力计算,三大循环与实际循环过程有一定差异。在氨循环中，压缩并非等熵过程。冷凝和蒸发过程与环境之间有温差，非等压且是不可逆过程。节流过程也并非可逆过程。同时，由于汽缸余隙，制冷工质存在着流量和压头损失。因此，实际压缩功大于理论功，实际输气量小于汽缸理论容积。,第2章 冻结法,2 蒸汽压缩制冷 2.2 一级压缩制冷,2、实际制冷能力计算,输气系数 由于汽缸存在余隙，实际输气量小于汽缸理论输气量，其实际输气量； V=Vh 式中 V实际输气量，m3/s； 汽缸系数，为小于1的数； Vh汽缸理论输气量
12、（即理论容积）m3/s； Vh=nZSD2/(460) n曲轴转速，r/min； Z汽缸数量； D汽缸直径，m； S活塞行程，m。,第2章 冻结法,2 蒸汽压缩制冷 2.2 一级压缩制冷,2、实际制冷能力计算,输气系数 输气系数通常按N.N列菲公式计算： =1-c(pk/p0-1)T0/Tk 式中 c汽缸的余隙系数，即余隙体积与理论容积之比，卧式c=1.53； 立式c=1； pk，p0 分别为冷凝和蒸发压力，Mpa； Tk ，T0分别为冷凝及蒸发温度，K。 实际输气流量 G=V/1 式中 G系统实际质量流量，kg/s； V实际输气量， m3； 1汽缸入口处工质比容，m3/ kg。,第2章 冻结
13、法,2 蒸汽压缩制冷 2.2 一级压缩制冷,2、实际制冷能力计算,实际制冷量 Q0=Gq0 式中 Q0实际制冷量（蒸发器之热负荷），kw G系统实际工质流量， kg/s q0单位理论制冷量，kJ/kg。,第2章 冻结法,2 蒸汽压缩制冷 2.2 一级压缩制冷,2、实际制冷能力计算,实际压缩功 L0=Gl0 式中 L0实际压缩功，kw； G系统实际工质流量， kg/s； l0单位压缩理论功，kJ/kg。,第2章 冻结法,2 蒸汽压缩制冷 2.2 一级压缩制冷,2、实际制冷能力计算,实际冷凝热量 Qk=Gqk 式中 Qk 实际冷凝热量（冷凝器热负荷），kw； qk单位冷凝热量，kJ/kg。,第2章
14、 冻结法,2 蒸汽压缩制冷 2.2 一级压缩制冷,2、实际制冷能力计算,电机总功率 电动机总功率包括电动机的有效效率，摩擦功率两部分； 电动机有效功率： Ni=L0/i=(Gl0)/i 式中 Ni 电动机有效功率，kw； i效率系数，可按下式计算 i=T0/Tk+bt0 式中 T0 , Tk工质之蒸发和冷凝温度，K； t0工质之蒸发温度，； b系数，卧式b=0.002；立式 b=0.001。 压缩机之摩擦功率，按经验公式计算 Nf=0.016Vh 式中 Nf压缩机的摩擦功率，kw; Vh气缸的理论输气量（理论容积）m3/h。,第2章 冻结法,2 蒸汽压缩制冷 2.2 一级压缩制冷,2、实际制冷
15、能力计算,电机总功率 电动机总功率： N=K(Ni+Nf)/p 式中 N电动机总功率，kw ； p电动机传动系数，皮带传动时,p=0.97； K安全系数，K=1.21.3。,第2章 冻结法,2 蒸汽压缩制冷 2.2 一级压缩制冷,3、制冷循环中的过冷与过热现象,过冷现象 在制冷系统中，应尽可能提高制冷效率，即提高制冷系数。显然，这与节流前工质的温度有关。如图，如果饱和液态氨由4点再度冷却到4点，由于过冷，可以减少节流后的饱和蒸汽量，即增加了蒸发器中的液氨量，从而提高了制冷系数。过冷后的制冷系数为：,=(q0+q)/l0=0+0 式中 q0未过冷时的单位理论制冷量，kJ/kg； l0单位压缩理论功，kJ/kg； q过冷后，单位理论制冷的增量，q=h4-h4 0过冷后，制冷系数增量。 通常的做法是利用深井水源，冬季施工，或在贮氨器后面节流阀前面加逆流式过冷器，来提高制冷效率。,第2章 冻结法,2 蒸汽压缩制冷 2.2 一级压缩制冷,3、制冷循环中的过冷与过热现象,过热现象 在制冷系统中，应尽量避免不必要的冷量损失。由于压缩机吸气管路绝热不好或环境空气温度过高，使得压缩机吸气温度增高。比容下降，使得单位容积理论制冷量下降，从而使得制冷系数下降。因此，过热现象对于制冷系数是有害的，应设法避免。解决过热的方法是给压缩机吸气管
