分阶段制冷的人工地层冻结系统及其施工方法与流程

本发明涉及人工地层冻结技术领域，特指一种分阶段制冷的人工地层冻结系统及其施工方法。

背景技术：

现有的人工地层冻结方法通常采用盐水冻结，由于盐水冻结温度可达-30℃，但在土体温度降-30℃后，盐水将无法对土体进一步的降温，冻结效果不佳，而且盐水冻结的费用较高。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种分阶段制冷的人工地层冻结系统及其施工方法，以解决现有的盐水冻结的冻结效果不佳、费用较高的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种分阶段制冷的人工地层冻结系统，包括：

预埋管路，埋设于土体中待冻结的区域内，所述预埋管路包括送入端和输出端；

送入端控制阀，安装于所述预埋管路的送入端上，所述送入端控制阀包括第一流入端口、第二流入端口以及与所述送入端连通的流出口；

输出端控制阀，安装于所述预埋管路的输出端上，所述输出端控制阀包括与所述输出端连通的进入端口、第一排出端口以及第二排出端口；

盐水输送机构，与所述第一流入端口和所述第一排出端口连接，通过调节所述送入端控制阀和所述输出端控制阀以控制所述盐水输送机构与所述预埋管路的连通和闭合；以及

二氧化碳输送机构，与所述第二流入端口和所述第二排出端口连接，通过调节所述送入端控制阀和所述输出端控制阀以控制所述二氧化碳输送机构和所述预埋管路的连通和闭合。

本发明先在冻结前期地温较高时采用成本较低的盐水进行冻结，通过盐水输送机构向预埋管路内输送盐水对待冻结的区域土体进行冻结，当地温下降到一定温度，盐水冻结效率明显下降时，再利用液态二氧化碳进行冻结，通过二氧化碳输送机构向预埋管路内输送液态二氧化碳，以继续保持高效地冻结，提高了全程冻结的效率，进而缩短整个冻结周期，降低施工费用，相较于常规盐水冻结温度的-30℃，采用液态二氧化碳冻结可使土体温度降至-45℃，能够实现更佳的冻结效果。

本发明分阶段制冷的人工地层冻结系统的进一步改进在于，还包括与所述预埋管路安装连接的吹扫机构，通过所述吹扫机构排空所述预埋管路内的盐水和二氧化碳。

本发明分阶段制冷的人工地层冻结系统的进一步改进在于，还包括与所述预埋管路连通的排气管路以及安装于所述排气管路上的减压阀，所述排气管路靠近所述输出端设置；

所述吹扫机构包括空气压缩机，所述空气压缩机包括进气口和出气口，所述进气口与外界空气连通，所述出气口与所述预埋管路连通且靠近所述送入端设置；

通过所述空气压缩机向所述预埋管路内通入高压气体，使高压气体将所述预埋管路内残留的盐水或二氧化碳带走，并从所述排气管路排出。

本发明分阶段制冷的人工地层冻结系统的进一步改进在于，还包括与所述预埋管路连通且靠近所述输出端设置的分离管路以及安装于所述分离管路上的气液分离器；

通过所述气液分离器收集所述盐水。

本发明分阶段制冷的人工地层冻结系统的进一步改进在于，还包括安装于所述盐水输送机构和所述二氧化碳输送机构上的制冷机构，通过所述制冷机构对所述盐水输送机构内的盐水和所述二氧化碳输送机构内的二氧化碳进行降温。

本发明分阶段制冷的人工地层冻结系统的进一步改进在于，所述二氧化碳输送机构包括与所述第二流入端口和所述第二排出端口连接的二氧化碳管路、安装于所述二氧化碳管路上的二氧化碳贮存器和二氧化碳泵以及贮存于所述二氧化碳贮存器内的液态二氧化碳；

所述制冷机构包括与所述二氧化碳管路部分相贴的第一管路、安装于所述第一管路上的驱动件以及注入所述第一管路内的制冷剂；

通过所述二氧化碳泵使二氧化碳在所述二氧化碳管路和所述预埋管路中循环运动，并通过所述驱动件使制冷剂在所述第一管路内循环运动，进而循环利用制冷剂对所述二氧化碳管路中循环运动的二氧化碳进行降温，使所述二氧化碳管路中气态二氧化碳转化为液态二氧化碳。

本发明分阶段制冷的人工地层冻结系统的进一步改进在于，所述盐水输送机构包括与所述第一流入端口和所述第一排出端口连接的盐水管路、安装于所述盐水管路上的盐水箱和盐水泵以及存蓄于所述盐水箱内的盐水；

所述制冷机构还包括安装于所述第一管路上与所述二氧化碳管路相贴部分的两端的制冷控制阀、两端与对应的所述制冷控制阀连接的第二管路，所述第二管路与所述盐水管路部分相贴；

通过调节所述制冷控制阀以控制所述第一管路上位于两个所述制冷控制阀间的部分和其余部分的连通和闭合以及所述第一管路上位于两个所述制冷控制阀间的部分和所述第二管路的连通和闭合；

通过所述盐水泵使盐水在所述盐水管路和所述预埋管路中循环运动，并通过所述驱动件使制冷剂在所述第一管路和所述第二管路中循环运动，进而循环利用所述制冷剂对所述盐水管路中循环运动的盐水进行降温。

本发明分阶段制冷的人工地层冻结系统的进一步改进在于，还包括安装于所述制冷机构上的冷却机构，通过所述冷却机构对所述制冷机构进行降温。

本发明还提供了一种利用上述的分阶段制冷的人工地层冻结系统的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

将所述预埋管路埋设于土体中待冻结的区域内；

通过调节所述送入端控制阀和所述输出端控制阀使所述盐水输送机构与所述预埋管路连通，并使所述二氧化碳输送机构和所述预埋管路闭合，通过所述盐水输送机构向所述预埋管路内持续的输送盐水，使所述预埋管路内的盐水对所述预埋管路周围的土体进行冻结；以及

通过调节所述送入端控制阀和所述输出端控制阀使所述二氧化碳输送机构和所述预埋管路连通，并使所述盐水输送机构与所述预埋管路闭合，通过所述二氧化碳输送机构向所述预埋管路内持续的输送液态二氧化碳，使所述预埋管路内的液态二氧化碳对所述预埋管路周围的土体进一步地冻结，以完成对待冻结的区域土体的冻结施工。

本发明分阶段制冷的人工地层冻结系统的施工方法的进一步改进在于，所述冻结系统还包括与所述预埋管路安装连接的吹扫机构；

在通过调节所述送入端控制阀和所述输出端控制阀使所述二氧化碳输送机构和所述预埋管路连通之前，通过所述吹扫机构排空所述预埋管路内的盐水；

在完成对待冻结的区域土体的冻结施工之后，通过所述吹扫机构排空所述预埋管路内的二氧化碳。

附图说明

图1为本发明分阶段制冷的人工地层冻结系统的结构示意图。

图中：预埋管路10，送入端控制阀101，输出端控制阀102，二氧化碳输送机构20，二氧化碳管路21，二氧化碳贮存器22，二氧化碳泵23，盐水输送机构30，盐水管路31，盐水箱32，盐水泵33，吹扫机构40，空气压缩机41，制冷机构50，第一管路51，制冷控制阀52，第二管路53，驱动件54，冷却机构60，冷却管路61，冷却塔62，冷却水泵63，排气管路70，减压阀71，分离管路80，气液分离器81。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种分阶段制冷的人工地层冻结系统，用于冻结地层。本发明包括预埋管路、送入端控制阀、输出端控制阀、盐水输送机构以及二氧化碳输送机构，在冻结前期地温较高时采用成本较低的盐水进行冻结，当地温下降到一定温度，盐水冻结效率明显下降时，再利用液态二氧化碳进行冻结，以继续保持高效地冻结，提高了全程冻结的效率，进而缩短整个冻结周期，降低施工费用。在从盐水冻结切换至液态二氧化碳冻结时需要将通过吹扫机构将预埋管路内的盐水排空，以避免残留在预埋管路内的盐水影响液态二氧化碳的冻结效果。

下面结合附图对本发明分阶段制冷的人工地层冻结系统进行说明。

参见图1，在本实施例中，一种分阶段制冷的人工地层冻结系统包括：预埋管路10、送入端控制阀101、输出端控制阀102、盐水输送机构30以及二氧化碳输送机构20，预埋管路10埋设于土体中待冻结的区域内，预埋管路10包括送入端和输出端，送入端控制阀101安装于预埋管路10的送入端上，送入端控制阀101包括第一流入端口、第二流入端口以及与送入端连通的流出口，输出端控制阀102安装于预埋管路10的输出端上，输出端控制阀102包括与输出端连通的进入端口、第一排出端口以及第二排出端口。盐水输送机构30与第一流入端口和第一排出端口连接，通过调节送入端控制阀101和输出端控制阀102以控制盐水输送机构30与预埋管路10的连通和闭合，盐水输送机构30与预埋管路10的内部形成有盐水循环回路，通过盐水输送机构30向预埋管路10内输送盐水，使预埋管路10内的盐水对预埋管路10周围的土体进行冻结。二氧化碳输送机构20与第二流入端口和第二排出端口连接，通过调节送入端控制阀101和输出端控制阀102以控制二氧化碳输送机构20和预埋管路10的连通和闭合，二氧化碳输送机构20与预埋管路10的内部形成有二氧化碳循环回路，通过二氧化碳输送机构20向预埋管路10内输送液态二氧化碳，使预埋管路10内的液态二氧化碳对预埋管路10周围的土体进一步地冻结，以完成对待冻结的区域土体的冻结施工。

在本实施例中冻结系统在冻结前期地温较高时采用成本较低的盐水进行冻结，通过盐水输送机构30向预埋管路10内输送盐水对待冻结的区域土体进行冻结，当地温下降到一定温度，盐水冻结效率明显下降时，再利用液态二氧化碳进行冻结，通过二氧化碳输送机构20向预埋管路10内输送液态二氧化碳，以继续保持高效地冻结，提高了全程冻结的效率，进而缩短整个冻结周期，降低施工费用，相较于常规盐水冻结温度的-30℃，采用液态二氧化碳冻结可使土体温度降至-45℃，能够实现更佳的冻结效果。

参见图1，进一步的，冻结系统还包括与预埋管路10安装连接的吹扫机构40，通过吹扫机构40排空预埋管路10内的盐水和二氧化碳。在从盐水冻结切换至液态二氧化碳冻结时需要通过吹扫机构40将预埋管路10内的盐水排空，以避免残留在预埋管路10内的盐水影响液态二氧化碳冻结的效果。在完成二氧化碳冻结后，需要通过吹扫机构40将预埋管路10内的二氧化碳排空，以避免残留在预埋管路10内的二氧化碳水影响下次盐水冻结的效果。

参见图1，更进一步的，冻结系统还包括与预埋管路10连通的排气管路70以及安装于排气管路70上的减压阀71，排气管路70靠近输出端设置，吹扫机构40包括空气压缩机41，空气压缩机包括进气口和出气口，进气口与外界空气连通，出气口与预埋管路10连通且靠近送入端设置，通过空气压缩机41向预埋管路10内通入高压气体，通过高压气体将预埋管路10内残留的盐水或二氧化碳带走，并从排气管路70排出。空气压缩机41抽吸外界空气并进行压缩，并将压缩后的气体吹入预埋管路10中，压缩后的高压气体通过预埋管路10时，将预埋管路10中的盐水或者二氧化碳带走，并从排气管路70排出到外界。高压气体的作用力下，液态二氧化碳会受热转为气态二氧化碳，很容易从排气管路70排出，但是盐水可能无法全部从排气管路70排出。

参见图1，更进一步的，冻结系统还包括与预埋管路10连通且靠近输出端设置的分离管路80以及安装于分离管路80上的气液分离器81，通过气液分离器81将盐水收集至气液分离器81中，同时将高压气体排出。

较佳地，吹扫机构40还包括吹扫管路，空气压缩机41安装于吹扫管路上。

参见图1，在本实施例中，冻结系统还包括安装于盐水输送机构30和二氧化碳输送机构20上的制冷机构50，通过制冷机构50对盐水输送机构30内的盐水和二氧化碳输送机构20内的二氧化碳进行降温。

参见图1，进一步的，二氧化碳输送机构20包括第二流入端口和第二排出端口连接的二氧化碳管路21、安装于二氧化碳管路21上的二氧化碳贮存器22和二氧化碳泵23以及贮存于二氧化碳贮存器22内的液态二氧化碳，制冷机构50包括与二氧化碳管路21部分相贴的第一管路51、安装于第一管路51上的驱动件54以及注入第一管路51内的制冷剂，第一管路51的内部形成有第一制冷循环回路，通过二氧化碳泵23使二氧化碳在二氧化碳管路21内部形成的二氧化碳循环回路中循环运动，并通过驱动件54使制冷剂在第一制冷循环回路中循环运动，进而循环利用制冷剂对二氧化碳管路21中循环运动的二氧化碳进行降温，使二氧化碳管路21中气态二氧化碳转化为液态二氧化碳，从而能够确保向预埋管路10内通入低温的液态二氧化碳。

参见图1，更进一步的，盐水输送机构30包括两端与对应的第一控制阀101连接的盐水管路31、安装于盐水管路31上的盐水箱32和盐水泵33以及存蓄于盐水箱32内的盐水，制冷机构50还包括安装于第一管路51上与二氧化碳管路21相贴部分的两端的制冷控制阀52、两端与对应的制冷控制阀52连接的第二管路53，第二管路53与盐水管路31部分相贴，通过调节制冷控制阀52以控制第一管路51上位于两个制冷控制阀52间的部分和其余部分的连通和闭合以及第一管路51上位于两个制冷控制阀52间的部分和第二管路53的连通和闭合，第一管路51上位于两个制冷控制阀52间的部分和第二管路53的内部形成有第二制冷循环回路；通过盐水泵33使盐水在盐水管路31内部形成的盐水循环回路中循环运动，并通过驱动件54使制冷剂在第二制冷循环回路中循环运动，进而循环利用制冷剂对盐水管路31中循环运动的盐水进行降温，从而能够确保向预埋管路10内通入低温的盐水。

参见图1，更进一步的，驱动件54为制冷剂压缩机，通过制冷剂压缩机对制冷剂进行加压，由于液态制冷剂与盐水或者二氧化碳发生热量交换后会转化为气态制冷剂，为了将气态制冷剂再转化为液态制冷剂以持续对盐水或者二氧化碳降温，通过设置制冷剂压缩机将气态制冷剂加压后，再通过制冷剂对其进行降温使得气态制冷剂转化为液态制冷剂，从而实现循环利用制冷剂对盐水和二氧化碳进行降温。

参见图1，在本实施例中，冻结系统还包括安装于制冷机构50上的冷却机构60，通过冷却机构60对制冷机构50进行降温。

参见图1，进一步的，冷却机构60包括与第一管路51部分相贴的冷却管路61、安装于冷却管路61上的冷却塔62、安装于冷却管路61上的冷却水泵63以及注入冷却管路61中的冷却水，冷却管路61与第一管路51相贴的部分和第一管路51与盐水管路31相贴的部分不一致，冷却管路61的内部形成有冷却循环回路，通过冷却塔62将冷却水的热量传递到外界空气。通过使冷却水在冷却循环回路中循环运动，以循环利用冷却水对第一管路51内部循环运动的制冷剂进行降温，进而能够对二氧化碳管路21中循环运动的二氧化碳和盐水管路31中循环运动的盐水进行降温，从而能够确保向预埋管路10内通入低温的液态二氧化碳或低温的盐水。

更进一步的，第一管路51与盐水管路31相贴的部分、第二管路53与二氧化碳管路21相贴的部分、冷却管路61和第一管路51相贴的部分套设安装有盒体，通过盒体对管路进行安装定位，且能够隔绝外界空气的影响。

参见图1，较佳地，预埋管路10的送入端和输出端伸出土体外。

较佳地，送入端控制阀101、输出端控制阀102以及制冷控制阀52为三通阀。

下面对本发明的分阶段制冷的人工地层冻结系统的工作流程进行说明。

在冻结前期，通过调节送入端控制阀101和输出端控制阀102使盐水管路31和预埋管路10连通，二氧化碳管路21和预埋管路10闭合，即盐水循环回路连通而二氧化碳循环回路关闭，通过调节制冷控制阀52使第一管路51上位于两个制冷控制阀52间的部分和第二管路53连通，第一管路51上位于两个制冷控制阀52间的部分和其余部分闭合，即第二制冷循环回路连通而第一制冷循环回路关闭，通过盐水泵33将盐水箱32内的盐水泵入到盐水管路31中，再流入到预埋管路10中，盐水与预埋管路10周围的土体发生热量交换对土体进行降温，从预埋管路10流出的盐水与第一管路51中的制冷剂发生热量交换，以对盐水进行降温，盐水降温后再进入预埋管路10内，以实现对土体的持续降温。通过冷却机构60与制冷机构50发生热量交换对制冷机构50进行降温，并将热量传递给外界空气。

在冻结后期，通过调节送入端控制阀101使与盐水管路31和预埋管路10的送入端闭合以停止向预埋管路10内输送盐水，通过盐水泵33将预埋管路10内的盐水抽回盐水箱32，通过调节输出端控制阀102使盐水管路31和预埋管路10的排出端闭合，再通过吹扫机构40向预埋管路10内通入高压气体以将预埋管路10内残留的盐水带走，打开气液分离器81和减压阀71，通过气液分离器81收集盐水，并排出高压气体，关闭气液分离器81和减压阀71。

通过调节送入端控制阀101使二氧化碳管路21和预埋管路10连通，即二氧化碳循环回路连通而盐水循环回路关闭，通过调节制冷控制阀52使第一管路51上位于两个制冷控制阀52间的部分和其余部分连通，第一管路51上位于两个制冷控制阀52间的部分和第二管路53闭合，即第一制冷循环回路连通而第二制冷循环回路关闭，通过二氧化碳泵23将二氧化碳贮存器22内的液态二氧化碳泵入到二氧化碳管路21中，再流入到预埋管路10中，液态二氧化碳与预埋管路10周围的土体发生热量交换对土体进行降温，其中部分液态二氧化碳转化为气态二氧化碳，从预埋管路10流出气液混合的二氧化碳，气态二氧化碳与第二管路53中的制冷剂发生热量交换，以对二氧化碳进行降温，使气态二氧化碳转化为液体二氧化碳，降温后液态二氧化碳再进入预埋管路10内，以实现对土体的持续降温。通过冷却机构60与制冷机构50发生热量交换对制冷机构50进行降温，并将热量传递给外界空气。

通过调节送入端控制阀101使与二氧化碳管路21和预埋管路10的送入端闭合以停止向预埋管路10内输送二氧化碳，通过二氧化碳泵23将预埋管路10内的二氧化碳抽回二氧化碳箱，通过调节输出端控制阀102使二氧化碳管路21和预埋管路10的排出端闭合，再通过吹扫机构40向预埋管路10内通入高压气体以将预埋管路10内残留的二氧化碳带走，打开减压阀71，通过排气管路70排出高压气体。

本发明还提供了一种利用上述的分阶段制冷的人工地层冻结系统的施工方法，包括如下步骤：

将预埋管路10埋设于土体中待冻结的区域内。

通过调节送入端控制阀101和输出端控制阀102使盐水输送机构30与预埋管路10连通，并使二氧化碳输送机构20和预埋管路10闭合，通过盐水输送机构30向预埋管路10内持续的输送盐水，使预埋管路10内的盐水对预埋管路10周围的土体进行冻结。

通过调节送入端控制阀101和输出端控制阀102使二氧化碳输送机构20和预埋管路10连通，并使盐水输送机构30与预埋管路10闭合，通过二氧化碳输送机构20向预埋管路10内持续的输送液态二氧化碳，使预埋管路10内的液态二氧化碳对预埋管路10周围的土体进一步地冻结，以完成对待冻结的区域土体的冻结施工。

进一步的，冻结系统还包括与预埋管路10安装连接的吹扫机构40。

在通过调节第一控制阀101使二氧化碳输送机构20和预埋管路10连通之前，通过吹扫机构40排空预埋管路10内的盐水。

在完成对待冻结的区域土体的冻结施工之后，通过吹扫机构40排空预埋管路10内的二氧化碳。