CC BY
102
------------------------------------------------------- © М.Н. Шуплик,
В.Н. Борисенко, 2004
УДК 622.253.35
М.Н. Шуплик, В.Н. Борисенко
СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ГРУНТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТВЕРДЫХ КРИОАГЕНТОВ
Семинар № 13
П последние годы способ искусственного замораживания грунтов находит все большее применение при строительстве городских подземных сооружений в сложных гидрогеологических условиях.
В городских условиях основной объем замораживания грунтов приходится на глубины до 30 м, в основном 11-20 м от поверхности земли. При замораживании грунтов на таких глубинах неизбежное влияние на процесс формирования ледогрунтового ограждения оказывает теплоприток со стороны земной поверхности, который в летнее время, как показывает практика, может превышать в 5-10 раз тепло-приток со стороны незамороженного массива.
Анализ опыта строительства коммунальных тоннелей в Москве показывал, что в 85 % всех случаев в радиусе до 3 м находились или наземные, или подземные коммуникации. Особую сложность при этом вызывает наличие в непосредственной близости от строящихся объектов теплотрасс, канализационных коллекторов и других коммуникаций, имеющих повышенную температуру (локальные источники тепла с температурой до 60 0С).
Специфика городского хозяйства оказывает воздействие на состав подземных вод. Зачастую подземные воды, подлежащие замораживанию, содержат примеси нефтепродуктов, растворы минеральных солей, что резко снижает температуру ледообразования, и на отдельных объектах она составляет - (10-15) 0С. Жизнедеятельность города влияет и на начальную температуру подземных вод, которая вблизи теплотрасс подземных коммуникаций достигает 20-25 0С.
В городском подземном строительстве ледог-рунтовые ограждения чаще всего выполняют роль противофильтрационной перемычки и реже грузонесущей, поэтому их создают незначительной толщины (0,8^1,1 м).
Все возрастающие объемы замораживания грунтов вблизи зданий, сооружений, под железными и автомобильными дорогами, с одной стороны, высокая стоимость, большая энерго-и материалоемкость этого процесса, с другой, приводят к необходимости решения крупной проблемы, направленной на обоснование и разработку параметров технологии замораживания грунтов в городских условиях, обеспечивающей ресурсосбережение, охрану окружающей среды и повышение техникоэкономических показателей подземного строительства.
Одним из путей достижения поставленной цели является обоснование и разработка принципиально новых мобильных способов замораживания грунтов с применением твердых криоагентов, позволяющих обеспечить ресурсосбережение. Под последним понимается снижение для замораживания заданного объема грунта электроэнергии, воды, труб и требуемого оборудования.
В качестве твердых криоагентов для замораживания грунтов могут быть использованы любые химические вещества, обладающие свойством сублимации, т.е. способностью переходить из твердого состояния в газообразное минуя жидкое, при низких отрицательных температурах.
Анализируя современные криоагенты, используемые во всех отраслях техники, можно выделить целый ряд твердых криоагентов, которые могут быть использованы для замораживания грунтов, но с точки зрения технологии их получения, дефицитности, безопасности, стоимости, можно констатировать, что на сегодняшний день развития техники и технологии наиболее приемлемым для промышленного применения при замораживании грунтов является диоксид углерода С02, называемый иногда «сухой лед». Факторами, ограничивающи-
ми использование других криоагентов, являются: для неона и аргона - трудность добычи, обусловленная малым содержанием этих газов в воздухе, для окиси углерода и аммиака - токсичность газов, для метана - повышенная вероятность взрыва воздушно-метано-вой смеси над колонками.
В промышленности накоплен большой опыт использования твердого диоксида углерода для охлаждения различных объектов, но наибольшее распространение «сухой лед» получил в пищевой промышленности.
Твердый диоксид углерода (С02) - представляет собой кристаллическое тело белого цвета, которое при давлениях ниже давления тройной точки, равного 0,5186 МПа, сублимируется, то есть переходит из твердого состояния непосредственно в газообразное, не оставляя видимых следов, вследствие чего ему присвоено название «сухой лед». Сухим льдом называют только твердый С02, спрессованный в различные формы (блоки, палочки, таблетки). Твердый несформированный С02 называют снегообразным диоксидом углерода, так как он имеет вид снега (рис. 1).
Фазовые превращения не сопровождаются химическими изменениями и являются физическим процессом. В процессе сублимации из окружающей среды поглощается относительно большое количество тепла при низкой температуре.
При нормальном атмосферном давлении (0,101 МПа) температура сублимации твердого диоксида углерода составляет -78,9 0С. При давлении ниже 0, 518 МПа (точка тройной фазы) диоксид углерода может находиться только в двух агрегатных состояниях - твердом или газообразном. При давлениях, превышающих 0,518 МПа, диоксид углерода в зависимости от температуры может находиться в любом из трех агрегатных состояний.
Физические свойства диоксида углерода подробно изложены в работе [1].
Остановимся на наиболее важных с практической точки зрения физических свойствах диоксида углерода как для твердого, так и для газообразного агрегатных состояний, так как обе эти фазы оказывают существенное влияние на процесс замораживания грунтов.
Основные свойства диоксида углерода в твердом и газообразном состоянии: Температура сублимации, К СС)
194,1 (-78,9)
Давление сублимации, МПа 0,101
Плотность, кг/м3:
В твердом состоянии 1563
В газообразном состоянии 1,976
Теплоемкость, кДж/(кг* К):
В твердом состоянии 1,24
В газообразном состоянии 0,845
Удельная теплота сублимации, кДж/кг 574 Коэффициент теплопроводности в твердом состоянии, Вт/м*К 0,4.
С практической точки зрения наибольший интерес представляет величина удельной теплоты сублимации, т.е. количество теплоты, поглощаемое 1 кг твердого диоксида углерода в процессе сублимации. Как видно из приведенных выше данных, эта величина составляет 574 кДж/кг. С учетом поглощения тепла из окружающей среды газообразным диоксидом углерода до понижения температуры газа до 0 0С теплота сублимации (холодопроизводитель-ность) составляет 638 кДж/кг.
Твердый диоксид углерода обладает весьма важным и интересным с практической точки зрения свойством. Он хорошо растворяется в труднозамерзающих жидкостях, при этом в отдельных жидкостях в зависимости от соотношения количества
Рис. 1. Твердый диоксид углерода спрессованный в различные формы
3 мм гранулы 16 мм грану- куски различ-
лы ной толщины
смешиваемых веществ температуру смеси можно довести до -100 0С.
Газообразный диоксид углерод не горит и не поддерживает горения. При атмосферном давлении и нормальной температуре С02 является неактивным соединением, тяжелее воздуха примерно в 1,5 раза.
Источниками получения углекислого газа, идущего на производство жидкой углекислоты и твердого диоксида углерода, является природная углекислота спиртового брожения, получаемая на спиртовых, пивоваренных и лесогидролизных заводах, углекислота и углекислый газ химических производств (газонефтеочистительных заводов, заводов по производству синтетического аммиака), углекислота метанового и этанового брожения, углекислота дымовых газов топлива, углекислота естественных источников.
В настоящее время «сухой лед» преимущественно вырабатывают на специальных заводах. При этом твердый диоксид углерода выпускают в виде брикетов массой до 120 кг. Потребителям диоксид углерода доставляется в специальных изотермических емкостях.
В последние годы получили распространение автономные сухоледные установки, работающие по каскадному циклу с использованием в качестве исходного сырья жидкий низкотемпературный диоксид углерода.
Особенный интерес для целей замораживания грунта представляют сухоледные агрегаты, оснащенные грануляторами (таблетерами). Это наиболее простые и компактные устройства, состоящие из изотермической емкости для доставки и хранения жидкого диоксида углерода, гранулятора и оборудования реконденсации углекислого газа со служебной холодильной установкой рис. 2. Формирование элементов «сухого льда» осуществляется путем прессования снегообразной массы и выдавливанием ее через отверстия экструдера. Масса элементов твердого диоксида углерода задается потребителем и может изменяться от 10 до 50 г.
Анализ закономерностей изменения свойств твердого диоксида углерода в зависимости от внешних условий и воздействий позволяет обосновать и предлжить ряд новых технологических схем замораживания грунтов, принципиальные схемы.
Наиболее простая и распространенная тех-
Рис. 2 Установка ВР 407 для производства сухого льда в виде блоков, кусков, гранул (Аъсо)
нологическая схема, при которой замораживание грунтов осуществляется через заглушенную в нижней части трубу (в дальнейшем называемой «колонкой»), которая периодически по мере сублимации заполняется твердым диоксидом углерода. За счет притока тепла из окружающих грунтов диоксид углерода сублимирует, и в зависимости от давления в колонке температура сублимации будит находиться в пределах -78,9^ - 56,6 0С.
Максимальная глубина замораживания определяется из условия, чтобы в самой нижней части колонки давление не превышало 0,518 МПа (давление тройной точки), которое получается при заполнении колонки на 35^40 м твердым диоксидом углерода. Газ диоксида углерода по мере его накопления поднимается вверх и, пройдя всю колонку по высоте, выбрасывается наружу. Колонка в верхней части должна быть открытой для свободного выхода газообразного диоксида углерода в атмосферу. Это требование вызвано тем, что в результате сублимации 1 кг твердого диоксида углерода образуется 500-800 л газообразного С02 и в случае герметизации колонки может резко подняться давление внутри ее, что может привести к разрыву колонки и резкому повышению температуры сублимации.
Для равномерного замораживания грунтов на заданную высоту уровень диоксида углерода в колонке должен поддерживаться примерно
постоянным, равным высоте замораживания.
Оценивая рассматриваемую технологическую схему с позиции эффективности теплообмена, следует заметить, что в колонке происходят сложные тепло-массообменные процессы. На участке расположения твердого диоксида углерода для получения минимально возможных температур замораживания необходимо стремиться к тому, чтобы был плотный контакт между диоксидом углерода и стенкой колонки, что позволяет добиваться отвода тепла от грунта по законам теплопроводности. При плотном контакте твердого диоксида углерода со стенкой колонки температура последней будет близка температуре сублимации
- 75^ - 78 0С. При отсутствии плотного контакта между криоагентом и стенкой колонки (что имеет место на практике) по поверхности стенки колонки сформируется паровая прослойка, которая может резко ухудшить условия отвода тепла и увеличить перепады между температурой стенки колонки и температурой сублимации диоксида углерода.
На участке колонки, где движется газообразный диоксид углерода, конвективный теплообмен между ним и грунтом может быть описан с помощью математического аппарата, справедливого для движения газа в цилиндрических трубах. Недостатком рассматриваемой схемы является сложность поддержания твердого диоксида углерода на заданной глубине и ограничение по глубине. Непостоянство уровня по глубине может привести к неоднородности формирования ледогрунтового ограждения или же непроизводительным потерям холода в верхних слоях грунта, не подлежащих замораживанию.
Применение твердого диоксида углерода в практике замораживания грунтов может быть расширено, если его использовать как промежуточный хладагент для охлаждения хладоно-сителя вместо замораживающей станции.
На рис. 3 приведена принципиальная технологическая схема замораживания грунтов, при которой твердый криоагент выполняет роль замораживающей станции и служит хладагентом.
Рис. 3. Технологическая схема замораживания грунтов с применением сухого льда в качестве хладагента: 1 - теплоизолированная емкость для хладоносителя;
2 — твердый диоксид углерода (сухой лед); 3 - изотермическая емкость; 4 - батарея труб; 5 - насос для циркуляции хладоносителя; 6 - питающий и отводящий трубопроводы
Как видно из рис. 3 предлагаемая схема аналогична рассольной схеме замораживания, в которой отсутствует компрессор и конденсатор. Холодоноситель из емкости 1 поступает в теплообменный аппарат 3, в котором охлаждается до заданной температуры. Из теплообменного аппарата холодоноситель попадает в магистральные трубопроводы 6, откуда перераспределяется по замораживающим колонкам. Для циркуляции холодоносителя предусмотрен насос 5. Циркулируя в колонках, холодоноситель отдает холод окружающему массиву и нагревается на 3-5 0С. Из замораживающих колонок холодоноситель по трубопроводу поступает в емкость, откуда движется на повторное охлаждение. Примерами холодоносителей,
применяемых при низких температурах, могут служить метиленхлорид (СН2СІ2), трихлорэти-лен С2НС13, этиловый спирт, ацетон, различные фракции перегонки нефти (керосин) и др. Наибольшее распространение в качестве холодоносителя получил водный раствор хлористого кальция СаС12.
Теплообменный аппарат представляет собой изотермический контейнер, в котором расположен змеевик 4. Змеевик состоит из медных труб. Остальное пространство в контейнере заполняем диоксидом углерода С02, называемый иногда сухим льдом. При контакте с поверхностью змеевика диоксид углерода сублимирует и в газообразном состояние выходит в атмосферу. По мере сублимации сухого льда производим догрузку.
При проектировании способа замораживания грунтов по данной технологии возникают проблемы, связанные с определением следующих параметров: энерго- и материалоемкости способа; режима движения хладоносителя в змеевике (ламинарный, переходный, турбулентный); площади поверхности змеевика;
расхода «сухого льда»; коэффициента теплопередачи; температуры хладоносителя на выходе из теплообменного аппарата и др.
Решением проблемы является разработка и обоснование методики определения параметров технологии замораживания грунтов с применением «сухого льда» в качестве хладагента.
Предлагаемая методика определения параметров вышеописанной технологии, основана на анализе практических данных и математическом описании конвективного теплообмена в горизонтальных трубах.
Исходными данными для проектирования технологии являются следующие параметры:
- хладопроизводительность установки, ккал/ч;
- диаметр труб змеевика, м;
- коэффициент теплопроводности хладоносителя X, ккал/(мхчхград);
- изобарная теплоемкость хладоносителя Ср, ккал/(кгхград);
- кинематическая вязкость хладоносителя v, м2/с;
- плотность хладоносителя у, кг/м3.
Расчетная схема приведена на рис. 4.
Для определения площади поверхности теплообмена в аппарате используем уравнение теплового баланса. Изменение энтальпии хо-лодоносителя вследствие теплообмена определяется соотношением:
dQ = G di, ккал/ч,
где G - расход массы, кг/ч; i - удельная энтальпия, ккал/кг.
Полагая, что Ср = const и di = Cp dt, имеем
dQ = GxCpx(t2- ti).
После интегрирования получим: Q =
GxCpx(t2 - t1), где t1, t2 - температура холодо-
носителя соответственно на входе и выходе в теплообменный аппарат.
Расход хладоносителя находим по формуле:
О = Q / Срх Д 1 ху, ккал/ч.
Определим скорость холодоносителя по формуле:
У = О / Б, м/с,
где Б - площадь сечения трубы, м2.
Найдем критерий Рейнольдса и Прандтля:
Яе = Uxd / у; Рг = V / а = ухСрху / %.
В зависимости от значений Яе и Рг определяем коэффициент конвективного теплообмена (ак). Например, для развитого турбулентного режима:
ак = 0,022х^хЯе0,8хРг0,4 / d, ккал / (м2хчхград);
для ламинарного движения: ак = 8,63хХ0,7ху0,2хСр0,3х(р/и)0Дх
х((ухи)0,2М0,5)х АI;0,1, ккал/(м2хчхград),
где Р - коэффициент объемного расширения жидкости, 1/град, и - периметр сечения, м.
Используя зависимость, 0 = (12 - 11^)/(11 --^р) = ехр(- акхЕзм / (ОхСрху)), находим площадь поверхности змеевика из выражения:
Езм = (1и(0)хОхСрХу) / (-ак).
где 11р - температура поверхности трубки змеевика.
Общая длина трубы змеевика составит:
Ь = Гзм / (л^), м.
Расход хладагента (сухого льда) определим из выражения:
Од у. = Q / а, кг/ч,
где а - удельная теплота сублимации, а = = 137,1 ккал/кг.
Время активного замораживания (т) определяем из уравнения теплового баланса:
т = Q3 / - Qox)x24], сут,
где Q3 - количество холода, необходимое для замораживания, ккал; Qox - количество холода, необходимое для понижения температуры окружающих ледогрунтовое ограждение грунтов, ккал/ч.
Способ искусственного замораживания грунтов с применением твердого диоксида уг-
Рис. 4. Расчетная схема змеевика: tj, tj- температура хладоносителя соответственно на входе и выходе из теплообменного аппарата; G - объемный расход хладоносителя, м3/час.
лерода в качестве хладагента является принципиально новым, ресурсосберегающим специальным способом строительства. Применение данного способа позволяет расширить использование «сухого льда» при строительстве подземных сооружений в условиях плотной городской застройки.
К достоинствам способа следует отне-
1. Пименова Т.Ф. Производство и применение «сухого льда». - М.: Легкая промышленность. 1982.
2. Шуплик М.Н., Плохих В.А., Никифоров К.П., Киселев В.Н. Перспективы технологии заморажива-
сти простоту эксплуатации замораживающей станции; компактность; высокие темпы замораживания; относительно невысокую стоимость; незначительные энергозатраты; отсутствие потребности в воде; а к недостаткам - относительно большие сроки проведения подготовительных работ.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ния грунтов в подземном строительстве // Подземное пространство мира № 4, 2001.
3. Исаченко В. П., Осипова В. А, Сукомел А.С..
Теплопередача. - М., Энергия. 1975.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------
Шуплик М.Н - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет. Борисенко В.Н. - магистр, наук, Московский государственный горный университет.
ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИИ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ИНСТИТУТГОРНОГО ДЕЛА - НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СО РАН
Шипеев Олег Васильевич Влияние режима выпуска руды из очистных блоков на напряженно-деформированное состояние массива 25.00.13 к. т. н.
ГОСУДАРСТВЕН МЕТАЛЛОВ «ГИ1 НЫИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВА ТЕЛЬСКИИ ИНС ЩВЕТМЕТ.» ТИТУТЦВЕТНЬ IX
Шабалина Мария
Александровна
Исследование, разработка и внедрение новой флотационной техники и технологии обогащения медноцинковых продуктов техногенного происхождения (на примере отвальных хвостов обогатительной фабрики и шлаков медеплавильного производства Среднеуральского медеплавильного завода)
