一种用于人工冻结富水松软地层的太阳能制冷装置的制作方法

本发明涉涉及人工冻结施技术领域，尤其涉及多年冻土区长距离线状工程热融地基的热稳定性防护技术领域，特别是一种用于人工冻结富水松软地基的太阳能制冷装置。

背景技术：

弱胶结、大孔隙的岩土材料一般力学强度低，透水性好，自稳及承载能力差。在该类材料的地层中进行穿越、开挖、填筑等工程建设时，在外部荷载或地下水作用下，岩土体力学性能容易进一步折减，导致岩土体和与之接触的构筑物的变形量较大。因此，松软碎散地层的防水及变形控制是目前工程领域一类重要的技术问题。

当岩土体处于富水状态时，在负温条件下液态孔隙水会逐渐凝结成冰，体积膨胀，使材料的孔隙减小；水冻结成冰后具有一定的强度(单轴抗压强度为3.92～8.04mpa)，提高了岩土体的整体强度；岩土颗粒在低温下收缩变形，土骨架在土体冻结膨胀形成的附加应力的作用下进一步收缩，密度增大。因此，冻结后的岩土材料普遍塑性减弱，力学强度增大，自稳及承载能力得到增强。同时，由于岩土体中孔隙水、裂隙水凝结成冰，地层过水通道被阻塞，还可起到防水作用。基于冻结土中水改善岩土体工程性质的原理，岩土工程界提出了人工冻结施工法，并应用在矿井、地下隧洞及地铁等多个领域的工程建设中。

目前，铁路、公路、电网、油气管道等长距离线状工程大量修筑在多年冻土地区。上述工程在改变天然地面散热特征和季节性融化层水热输运特征的同时，还改变了原有地表的水热环境特征。当多年冻土中固态冰液化时，就会导致冻土泥化软化和流变，削弱地基的承载力和稳定性。由于气候变暖、人为扰动、行车荷载等因素的影响，处于多年冻土地层的路基、电力塔基、管线地基广泛面临着冻土热融诱发的沉陷、滑塌等病害，因此采用主动冷却措施保持和恢复线路沿线多年冻土的冻结状态极为必要。但由于线路工程距离长，沿线基础设施相对落后，尤其是电力供给困难，无法像矿井、隧洞及地铁等工程在有限面积的场地内采用集中压缩式制冷、盐溶液分散循环输冷的人工冻结施工方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种能够连续制备0℃以下冷量且不需要耗电、无运动部件的的用于人工冻结富水松软地基的太阳能制冷装置。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种人工冻结富水松软地基的太阳能制冷装置，包括集热系统和蒸气喷射制冷系统，其中集热系统包括全玻璃真空集热管和发生器，所述发生器为直径小于所述全玻璃真空集热管且内置于所述全玻璃真空集热管内的柱状物，所述发生器与所述全玻璃真空集热管之间的空隙封闭且充满热媒介质，所述发生器内注有制冷工质；

其中蒸气喷射制冷系统包括蒸发器、气液分离器、节流阀、单向阀、蒸气喷射器和冷凝器，所述蒸气喷射器由吸入室、混合室和扩压室组成；

所述蒸发器为圆柱形并埋设于富水松软地层中，从地表以上依次竖直设置有集热系统、蒸气喷射器、气液分离器和冷凝器，所述蒸发器的出口通过低压蒸气管与所述吸入室连通；

所述发生器的出口通过高压蒸气管与所述气液分离器连通，所述气液分离器通过高压蒸气管与所述吸入室连通，所述高压蒸气管深入吸入室的管体顶端设有喷嘴；

所述冷凝器的入口通过混合蒸气管与所述扩压室连通，所述混合蒸气管伸入至冷凝器顶部；

所述冷凝器的出口连接有液态工质管，所述液态工质管分为两根支管，一根支管经节流阀伸入所述蒸发器底部，另一根支管经单向阀伸入所述发生器内；

所述气液分离器底部设有与经节流阀支管连接的连通管；

所述发生器顶部与所述冷凝器底部之间的相对高度根据不同的冷负荷取值。

所述发生器与所述全玻璃真空集热管之间设有定位卡。

所述蒸气喷射器和所述冷凝器之间设有回热器。

所述蒸发器和所述集热系统之间设有预冷器。

所述制冷工质采用醇类或烷烃类制冷工质。

本发明由于采用了上述的结构，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

1、本发明采用低品位的太阳热能驱动制冷剂循环，经济环保。采用全玻璃真空集热管吸收太阳光的辐射热量，集热效率高。全玻璃真空集热管与发生器里外嵌套，接触面积大，换热效率高，制冷循环启动迅速。

2、本发明布局新颖，冷凝器和发生器之间存在相对高差，冷凝器出来的液态制冷剂依靠由此产生的重力作用返回发生器内，不需要设置循环泵即可完成制冷剂循环，装置整体不需要外部供电。

3、本发明采用醇类和烷烃类制冷剂，如甲醇、己烷可在0℃以下运行。利用制冷剂随着压力和温度变化而产生变化的物理性质，通过制冷剂的蒸发而制冷，冻结蒸发器7周围一定范围内富水松软地层中的液态水分。对于多年冻土地层，在防治多年冻土融化沉陷，增加地层力学强度；通过连续控温冻结有效减小了水分向冻结区迁移的驱动力，从而抑制了冻土的分凝冻胀。

4、本发明中设有回热器，让蒸气喷射器流出的高温的混合蒸气与冷凝器流出的低温的液态工质进行热交换，降低混合蒸气进入发生器的温度；设有预冷器，让蒸发器出来的低温制冷蒸气与冷凝器液态工质换热，提高制冷蒸气进入喷射器的温度。两个部件可减少显热损失，改善装置的性能。

5、本发明没有机械运动部件，因而没有电能和机械能的消耗，使得运行更为稳定可靠。装置结构紧凑，体积小，占地面积小，集成一体化装设方便，不需要配套供电线路，可无人值守，可用于人工冻结富水松软地基，尤其适用于防治多年冻土区长距离线路工程冻土地基的热融病害。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1为本发明的结构示意图。

图2为装置中全玻璃真空集热管结构原理图。

图3为装置中蒸气喷射器结构原理图。

图中：1-冷凝器，2-回热器，3-液态工质管，4-节流阀，5-单向阀，6-连通管，7-蒸发器，8-预冷器，9-集热系统，91-发生器，92-全玻璃真空集热管，93-定位卡，10-低压蒸气管，11-气液分离器，12-高压蒸气管，13-蒸气喷射器，131-吸入室，132-混合室，133-扩压室，134-喷嘴，14-混合蒸气管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1-3，一种人工冻结富水松软地基的太阳能制冷装置，包括集热系统9和蒸气喷射制冷系统，其中集热系统包括全玻璃真空集热管92和发生器91，所述发生器91为直径小于所述全玻璃真空集热管92且内置于所述全玻璃真空集热管92内的柱状物，所述发生器91与所述全玻璃真空集热管92之间的空隙封闭且充满热媒介质，所述发生器91内注有制冷工质；

其中蒸气喷射制冷系统包括蒸发器7、气液分离器11、节流阀4、单向阀5、蒸气喷射器13和冷凝器1，所述蒸气喷射器13由吸入室131、混合室132和扩压室133组成；

所述蒸发器7为圆柱形并埋设于富水松软地层中，从地表以上依次竖直设置有集热系统9、蒸气喷射器13、气液分离器11和冷凝器1，所述蒸发器7的出口通过低压蒸气管10与所述吸入室131连通；

所述发生器91的出口通过高压蒸气管12与所述气液分离器11连通，所述气液分离器11通过高压蒸气管12与所述吸入室131连通，所述高压蒸气管12深入吸入室131的管体顶端设有喷嘴134；

所述冷凝器1的入口通过混合蒸气管14与所述扩压室133连通，所述混合蒸气管14伸入至冷凝器1顶部；

所述冷凝器1的出口连接有液态工质管3，所述液态工质管3分为两根支管，一根支管经节流阀4伸入所述蒸发器7底部，另一根支管经单向阀5伸入所述发生器91内；

所述气液分离器11底部设有与经节流阀4支管连接的连通管6；

所述发生器91顶部与所述冷凝器1底部之间的相对高度根据不同的冷负荷取值。

所述发生器91与所述全玻璃真空集热管92之间设有定位卡93。

所述蒸气喷射器13和所述冷凝器1之间设有回热器2。

所述蒸发器7和所述集热系统9之间设有预冷器8。

所述制冷工质采用醇类或烷烃类制冷工质。

本发明呈立式组装布设在富水松软地基上，蒸发器7埋设于富水松软地基中，起冷却冻结地层作用。蒸发器7一般采用圆柱形，通过非开挖式机械钻进成孔后装设。为防治水、土中的腐蚀性成分使蒸发器7产生锈蚀，需在其表层做喷漆等防腐措施。

在富水松软地基的设计冻结区内，首先根据工程特征、土体热传导特性、含水率及其他相关条件，确定冻结孔间距，根据不稳定地层影响深度确定孔深(柱状蒸发器7长度)，然后根据单个冻结装置的冷负荷确定孔径及选用的制冷工质和发生器91顶部与冷凝器1底部之间的相对高度取值。

使用时，在一年四季中阳光充足的白天，全玻璃真空集热管92吸收太阳热能产生高温热媒介质，发生器91内的制冷工质被热媒介质加热成为高压蒸气，发生器91外壁两端和全玻璃真空集热管92内玻璃管内壁之间放置四个定位卡，以使整个发生器91与真空管内壁保持一定的均匀的间距，并克服发生器91在热媒介质中所受的浮升力，维持制冷剂与发生器91周围热媒介质之间良好的对流换热。高压蒸气经高压蒸气管12先进入气液分离器11，在气液分离器11内液态的制冷工质通过连通管6连接的液态工质管3回流至发生器91内，高压蒸气经高压蒸气管12进入蒸气喷射器13的吸入室131，高压蒸气经喷嘴134进行绝热膨胀成为高速低压蒸气，在蒸发器7中液态工质在低压下吸热制冷产生的低压蒸气经低压蒸气管10被吸入喷射器的吸入室131，低压制冷蒸气在蒸气喷射器13的混合室132与喷嘴134产生的高速低压蒸气混合，混合蒸气借助高速低压蒸气的动能经蒸气喷射器13的扩压室133将压力提升至冷凝压力，然后经混合蒸气管14进入冷凝器1，混合蒸气在冷凝器1放出大量显热和汽化潜热后冷却冷凝成制冷工质，一部分制冷工质经液态工质管3和节流阀4降压至蒸发压力后进入蒸发器7，另一部分制冷工质在相对高程产生的重力作用下经液态工质管3和单向阀5进入发生器91，完成整个制冷流程的循环。如此周而复始循环进行制冷，起到持续冷却地层、冻结水分的作用。

另一个实现方式为蒸发器7和集热系统9之间设有预冷器8，制冷工质经预冷器8处理，让蒸发器7出来的低温制冷蒸气与冷凝器1液态工质换热，提高制冷蒸气进入蒸气喷射器13的温度；蒸气喷射器13和冷凝器1之间设有回热器2，让蒸气喷射器13流出的高温的混合蒸气与冷凝器1流出的低温的液态工质进行热交换，降低混合蒸气进入发生器91的温度。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明权利要求保护的范围之内。