Совершенствование технологии искусственного замораживания грунтов с использованием твердых криоагентов

- © П.В. Николаев, 2014

УДК 69.035.4:622.253.3

П.В. Николаев

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИСКУССТВЕННОГО ЗАМОРАЖИВАНИЯ ГРУНТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТВЕРДЫХ КРИОАГЕНТОВ

Предложен принципиально новый вариант реализации технологической схемы искусственного замораживания грунтов с использованием твердого диоксида углерода. Представлен вывод основных расчетных формул. Даны рекомендации по проектированию технологии. Произведен расчет технологических параметров замораживания для конкретных условий, позволяющий считать данную схему перспективной. Сформированы основные задачи по дальнейшему совершенствованию технологической схемы.

Ключевые слова: специальные способы строительства; искусственное замораживание грунтов; городское подземное строительств; ресурсосберегающие технологии; твердый диоксид углерода; «Сухой лед».

Существующие на данный момент технологические схемы искусственного замораживания грунтов (ИЗГ) с применением твердых криоагентов не удовлетворяют требованиям промышленности. Отсутствует достаточный опыт их внедрения, недостаточно изучена научная база, и как следствие этого они являются слишком дорогостоящими [5].

В данной работе рассмотрена совершенно новая вариация технологии, использования твердого диоксида углерода в качестве хладагента. Принципиальная схема изображена на рис. 1.

Предполагаемая схема выгодно отличается от предлагаемых ранее использованием в качестве основного хладоносителя водного раствора хлористого кальция, применяемого при обычном искусственном замораживание грунтов.

Испаритель заполняется незамерзающей жидкостью, с низкой температурой замерзания (ниже температуры сублимации твердого диоксида углерода), которая является промежуточным хладоносителем между твердым диоксидом углерода и трубами змеевика. Температура промежуточного хладоносителя устанавливается на уровне температуры сублимации твердого диоксида углерода.

В теплоизолированную емкость 10 заполненную незамерзающей жидкость 2 загружается твердый диоксид углерода 1, в соответствии с графиком его загрузки. Рассол пройдя по змеевику труб попадает в коллектор 3, откуда по «прямому» магистральному трубопроводу 4, попадает в «прямой» кольцевой трубопровод 5.

Отобрав тепло от массива грунта, через колонки 6, хладоноситель через «обратный» кольцевой 7, и магистральный 8 трубопроводы попадает в распределительный коллектор 9. В нем поток разделяется на определенной проектом количество потоков, и пропускает по змеевикам труб, через емкости 10. Цикл повторяется.

Достоинствами предлагаемой технологии, по сравнению с альтернативными вариантами применения твердого диоксида углерода в ИЗГ являются следующее:

• дешевый хладоноситель - водного раствора хлористого кальция;

• развитый математический аппарат описывающей процесс теплообмена.

Рис. 1. Технологическая схема установки по замораживанию грунтов, с применением твердого диоксида углерода

К недостаткам, можно отнести следующее:

• высокая температура основного хладносителя, ограниченная минимальной температурой кристаллизации водного раствора хлористого кальция;

• наличие промежуточного хладоносителя.

При этом сохраняются все достоинства, присущее всем вариантам технологии ИЗГ с использованием твердого диоксида углерода, а именно: значительное сокращение потребности в электроэнергие, воде, квалифицированном персонале, уменьшение сроков активного замораживания и улучшение безопасности работ, ввиду уменьшения средней температуры ЛПО.

Главной задачей, при конструировании такого теплообменного аппарата является подбор таких его геометрических характеристик при которых обеспечивается охлаждение основного хладоносителя до требуемой температуры.

Минимальная температура замерзания водного раствора хлористого кальция, соответствует раствору равна -55 °С [2]. Что значительно больше температуры сублимации диоксида углерода, равной -78,9 °С. При этом, с целью не допустить кристаллизацию рассола, можно рекомендовать поддерживать температуру промежуточного хладоносителя на уровне — 50 °С.

Произведем расчет теплообменного аппарата, в соответствии с рекомендациями, представленными в [3, 4].

В качестве промежуточного хладоносителя, примем метиленхлорид СН2С12, распространенный органический растворить, безопасный для человека и не горючий. Температура его кристаллизации составляет минус 97 °С.

Средний тепловой поток через 1 метр трубы, от основного хладоносителя к промежуточному будет равен:

я = к • п • б • ап - д

где к - средний коэффициент теплопередачи по длине трубы для данной средней температуры, Вт/(м2 • К); ^ - диаметр трубы испарителя (по средней линии), м; tо - средняя температура основного хладоносителя, по длине трубы, К; ^ - температура промежуточного хладоносителя, К.

Примем, что изменение температуры по длине трубы происходит по линейному закону [3], тогда средняя температура равна:

. = *н + ^

°

где ^ - температура основного хладоносителя на входе в испаритель, К, tк - температура на выходе, К.

Длину трубы, обеспечивающую охлаждение хладоносителя до требуемой температуры, можно определить из уравнения теплового баланса:

, . п-в2 „ 1

-)~-Р-С =

где р - плотность основного хладоносителя, кг/м3; Ср - удельная теплоемкость основного хладоносителя, при постоянном давлении, Дж/(кг • К); 1 - длина трубы испарителя, м; ш - скорость течения основного хладоносителя по трубе, м/с.

Подставим в (3) значение из (1), (2) и выразим длину трубы:

, , в а (I -I )---р - С - —

к Н 2 И р к = 1

2 - 1П - 1Н - К

Как видно из рис. 1, температура на входе в испаритель, равна (в первом приближении), температуре на выходе из колонки. Примем следующие допущения:

1. Не будем учитывать нагревание рассола в магистральных и кольцевых трубопроводах. Данный факт пойдет в «запас» уменьшению вероятности замерзания хладоносителя в трубах

2. Пусть: 2 • t - t - t = 2 • t - 2 • t

п н к п к

Тогда выражение (4) примет вид:

(К - К) • 2-Р'СР

2 • и - 2 • *

= I

к =

Коэффициент теплопередачи равен: 1

1 1

а-,

а„

К1 2

где аа - средний коэффициент теплоотдачи от основного хладоносителя к трубе, Вт/(м2 • К); а2 - средний коэффициент теплоотдачи от промежуточного хладоносителя к трубе, Вт/(м2 • К).

Основную сложность представляет формирование упрощенной расчетной схемы, с достаточной точностью, описывающей реальный процесс. Расчетная схема представлена на рис. 2.

В дальнейшем будем рассматривать шахматный пучок труб расположенный от дна емкости на фиксированном расстояние И. Диаметр труб принимаем равным ¿, а расстояния между трубами, из конструктивных соображений, обеспечивающих легкость загружения диоксида углерода на дно емкости, принимаем Э.

Диоксид углерода 1 помещенный на дно емкости начинает сублимировать, с выделением большого количества газа. Газ поднимается наверх проходя между трубами 2), по траекториям 3.

Скорость движения жидкости омывающей трубы, непосредственно зависит от скорости подъема пузырьков газа. Можно утверждать, что скорость движения жидкости равна скорости движения пузырька.

При выполнение условия, что ¿<0, можно рассматривать движение пузырька газа, как его движения в свободном объеме. В малоподвижных жидкостях скорость всплытия больших пузырьков газа практически не зависит от размеров пузырька. Скорость всплывания определяется уравнением [3]:

а)

ООО

„о о о 0"0" о«о

Рис. 2. Расчетная схема к определению скорости жидкости на внешней поверхности трубы

г

3> 35

20

5

I 15

10

йе=10000 ____

/ /

Турбулентный режим течения

Ке=2100

Переходный режим течения

_ ___

течения --

0,005

0,01

0,015

0,03

0,035 0,03

Диаметр трубы, м

Рис. 3. График определения характера движения водного раствора хлористого кальция в круглой трубе, при его температуре -50 °С

V = 1,18-д/а-д .(рж-рг) / р

где ст - поверхностное натяжение на границе газ - жидкость. Принимаем для данной жидкости равным 0,02883 Н/м2; д - ускорение силы тяжести, 9,81 м/с2; р , р - плотность жидкости и газа соответственно; р = 1326 кг/м3 ; рг = 1,97 кг/м3 г

Тогда скорость всплытия пузырька будет равна: V = 0,017 м/с Учитывая, утверждение ¿<<0 можно рассчитывать величину коэффициента теплоотдачи, не учитывая взаимного влияния труб друг на друга, и рассматривать обтекание отдельно расположенной трубы.

Принимаем трубы диаметром 20 мм (толщиной стенки пренебрегаем). Характер движения жидкости определяется по значению Числа Рейнольдса.

и ^р

Ив = ю---

ц

где ш - скорость движения жидкости, м/с; d - характерный размер, в данном случаи, диаметр трубы, м; ц = 0,001616 Па • с - вязкость жидкости. Яв = 27,89

Значение коэффициента теплоотдачи определяется из значения Числа Нус-сельта, определяемого для данного значения числа Рейнольдса по формуле [3]:

Ш7 = 0,5 • Яе^ • РгГ

где

Рг =

ц-ср

X

- число Прандтля, равное для данной жидкости 112,2.

Тогда: №Лк = 15,87

В результате коэффициент теплоотдачи будет равен:

Л, X а 2 = пи  — 2 d

а2 = 138,51 Вт/м2

где X - теплопроводность жидкости, равная 0,17456 Вт/(м • К).

Характер движения жидкости в зависимости от скорости ее протекания и диаметра канала можно определить по графику (рис. 3).

Значение критерия Нуссельта при переходном режиме будет равно [2]:

^ = 0,008 • Яв0-9 • Ргж043

Значение критерия Нуссельта при турбулентном режиме будет равно [3]:

„0,43

Ми^ = 0,021 • Яе0* • Ргж-

Определение температуры на входе испаритель возможно из уравнения теплового баланса между замораживающей колонкой и испарителем. Величину нагревания рассола в замораживающей колонке определим из уравнения теплового баланса в колонке.

Результатом выбор того или иного режима течения должна стать минимальная длина трубы испарителя. Руководствуясь этим критерием, подставив в формулы (11) и (12 известные величины получим систему уравнений, решение которой позволяет определить основные параметры испарителя:

('1 - ) = г •

4 -К )•

1

1

а

6 2 • ^ ' - '1)

• 1п (Е )) п- (62 - 62 )• р- Ср

2- (-78,9) - '2 -

2- 1-к

6 -р- Ср - ш

} =

6,924- (50 + 'н)- ш (50 + 'н)- 4,2088- ш0Д - (0,231 - (0,168

+ ш

0,9

, при ш < 3,21 ) , при 3,21 <ш <15,32 ) , при 15,32 < ш

Совместное решение системы уравнений (13) позволяет определить значения температур, и длину труб испарителя, задавшись максимальной толщиной ледопородного ограждения.

При увеличение скорости движения хладоносителя увеличивается так же и его расход, что в конечном итоге может привести к уменьшению затрат на перекачивание жидкости. Определим падение давление в трубах, при разных скоростях движения жидкости, по методике, представленной в [4].

Анализ расчетных формул позволяет утверждать, что переходный режим течения более предпочтительный с точки зрения энергетических затрат на перекачивания жидкости по трубам. Принимаем скорость движения хладоносителя по трубам испарителя равной 3,5 м/с. При этом:

• длина одной трубы испарителя будет равна: I = (50 + • 15,833,м

• расход, через 1 трубу составит 0,0010996 м3/с;

• затраты электроэнергии на один отрезок составляют N = 7,7515 • I, Вт

Для примера произведем расчет параметров теплообменного аппарата для следующих условий: глубина замораживания Ь = 10 м; количество коло-

п

нок - 25; конечная толщина ледопородного 1 м; вмещающие породы - песок (теплопроводность X = 3 Вт/(К • м)); хладоноситель - раствор хлористого кальция (температура на входе в питающую трубу - -50 °С; - теплоемкость -С = 2612,06 Дж/(кг • К); теплопроводность X = 0,4081 Вт/(м • °С); вязкость -ц = 0,003949 Па • с; коэффициент температурного расширения - в = 0,004; плотность - р = 1290 кг/м3;) диаметр замораживающей колонки - 0,15 м; диаметр питающей трубы - 0,05 м; скорость движения хладоносителя на входе в питающую трубу - ш1 = 2 м/с.

Решение системы (13) будет иметь следующий вид:

^ =-49,632 ^ =-50,002 I = 5,815

Теплопоглощающая способность всех колонок равна:

= I • = 25 • 10 • = 122750 Вт

Расход хладоносителя через все колонки составляет 0,098125 м3/с

Количество отрезков труб 0,098125

п = -

0,00109956

90

Общая длина труб: И = п • 5,815 = 523,35 м

Требуемая мощность насоса: N = 7,7515 • 523,35 = 4056,74 Вт

Построим график зависимости температуры на входе и выходе из колонки (рис. 4) и их разности (рис. 5) в зависимости от толщины ледопродного ограждения.

Зная расход хладоносителя в рассольной сети и его свойства, можно определить изменение энтальпии рассола за время прохождения его через рассольную сеть. Разделив это значение на величину скрытой теплоты сублимации твердого диоксида углерода можно определить требуемое его количество.

-55 -1—

Толщина ледопородного ограждения в главной плоскости, м Рис. 4. График зависимости температуры хладоносителя на входе в колонку t1, на выходе из колонки t2 от толщины ледопродного ограждения

Толщина ледопородного ограждения е главной плоскости, м Рис. 5. Зависимость ^^^ от толщины ограждения

Загрузку диоксида углерода, нужно производить с «запасом», чтобы обеспечить гарантированное охлаждение промежуточного хладоносителя до температуры сублимации диоксида углерода. В условиях строительной площадки, когда могут возникнут трудности с точным дозированием массы загружаемого диоксида, можно производить загруженные с таким расчетом, что бы объем диоксида углерода в баке всегда оставался на примерно одинаковом уровне (на 1/3 - 1/2 высоты бака).

Дальнейшее проектирование процесса замораживания производится по обычным для рассольного способа замораживания формулам, и в данной работе не приводится.

В данной работе описаны основные принципы проектирования технологии искусственного замораживания грунтов с использование твердого диоксида углерода в качестве хладагента. Произведен вывод основных расчетных формул для определения основных параметров теплообменного аппарата.

Доказана возможность создания теплообменного аппарата обеспечивающего охлаждения хладоносителя до требуемой, минимально установленной, температуры. Что обеспечивает оптимальные условия протекания хладоносителя, при которых не происходит его переохлаждение, и замерзание в трубах.

Дальнейшие исследования должны быть направлены на определения параметров теплообмена между твердым диоксидом углерода и жидкость.

О 0,1 0,2 0,3 0,1 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Толщина ледопородного ограждения е главной плоскости, м

Рис. 6. Зависимость расхода твердого диоксида углерода от толщины ледопород ного ограждения

_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Виноградов С.Н., Таранцев К.В., Виноградов О.С. Выбор и расчет теплообменников: Учебное пособие. - Пенза: Пензенский Государственный Университет, 2001. - 100 с.

2. Дорман Я.А. Искусственное замораживание грунтов при строительстве метрополитенов . - М.: Транспорт, 1971. - 272 с.

3. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Учебник для вузов. Изд. 2, в 2-х книгах, Часть 1: Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты . - М.: Химия, 1995. - 400 с.

4. Исаченко В.П., Осипова. А.А., Сукомел А.С. Теплопередача - М.: Энергия, 1975. -488 с.

5. Николаев П.В. Опыт и перспективы развития ресурсосберегающих технологий замораживания грунтов в городском подземном строительстве // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2014. - № 2. - C. 367-371. ЕП2

КОРОТКО ОБ АВТОРE_

Николаев Петр Владимирович - аспирант, e-mail: PeNi@bk.ru, МГИ НИТУ «МИСиС».

UDC 69.035.4:622.253.3 IMPROVED TECHNOLOGY ARTIFICIAL GROUND FREEZING USING SOLID REAGENT

Nikolaev P.V., Graduate Student, e-mail: PeNi@bk.ru,

Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS».

This research paper proposes a fundamentally new embodiment of the technological scheme of artificial ground freezing with solid carbon dioxide. The paper analyzed the basic dignity and disadvantages of the proposed scheme, as well as the existing schemes of artificial soil freezing with solid carbon dioxide.

This method is based on the use of solid carbon dioxide as a refrigerant, wherein as the intermediate coolant acts aqueous calcium chloride solution. The coolant is cooled down to - 50 degrees Celsius, and its interaction in a heat exchange apparatus with solid carbon dioxide. The special design of the heat exchanger, proposed in this paper does not allow freezing brine, despite the fact that the sublimation temperature of carbon dioxide -79.8 degrees Celsius.It shows the output of the basic calculation formulas. We have given recommendations for the design of technology. We have made the calculation of process parameters for the specific freezing conditions, allowing us to consider this scheme as perspective.

The main targets for further improvement of the technological scheme been formed. This method of freezing can be recommended for use in urban environments, with freezing rocks of up to 1000 - m3. In this process of artificial soil freezing occurs up to 3 times faster.

Key words: special construction methods, artificial ground freezing, urban underground construction, saving technologies, solid carbon dioxide, «Dry ice».

REFERENCES

1. Vinogradov S.N., Tarantsev K.V., Vinogradov O.S. Vybor i raschet teploobmennikov: Uchebnoe poso-bie (Selection and calculation of heat exchangers. Educational aid), Penza, Penzenskii Gosudarstvennyi Uni-versitet, 2001, 100 p.

2. Dorman Ya.A. Iskusstvennoe zamorazhivanie gruntov pri stroitel'stve metropolitenov (Artificial soil freezing in underground railroad construction), Moscow, Transport, 1971, 272 p.

3. Dytnerskii Yu.l. Protsessy i apparaty khimicheskoi tekhnologii. Uchebnik dlya vuzov. Izd. 2, v 2-kh kni-gakh, Chast' 1: Teoreticheskie osnovy protsessov khimicheskoi tekhnologii. Gidromekhanicheskie i teplovye protsessy i apparaty (Chemical technology processes and equipment. Higher education textbook, 2 books. Part I: Theory of chemical technology processes. Hydromechanical and heat processes and equipment), Moscow, Khimiya, 1995, 400 p.

4. lsachenko V.P., Osipova. A.A., Sukomel A.S. Teploperedacha (Heat transmission), Moscow, Energiya, 1975, 488 p.

5. Nikolaev P.V. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten', 2014, no 2, pp. 367-371.