一种冻结工程废热循环回收系统和方法与流程

本发明涉及一种冻结工程废热循环回收系统和方法。

背景技术：

冻结法施工的实质是使用人工制冷技术，把地层中的热量交换出来排放到大气中，使地层中的水结冰，增加其强度和稳定性。目前常规人工冻结法施工包括三大循环：盐水循环、氨循环、冷却水循环。目前，人工冻结法施工在地层中产生的大量热量直接排到大气中去，而忽视了压缩制冷机中的排气热量的回收利用，造成地热浪费。如采用冻结工程废热回收系统，可回收制冷过程中产生的废热，用于事故井筒的已成型井壁保护、井筒通风、防冻生活区供暖等，将能降低燃煤锅炉等设备的投资，节约燃煤费用，节省大量能源。此外，采用热回收器将制冷系统热量收集处理后，能有效降低系统排气压力，减轻制冷系统冷凝器的负荷，提高制冷系统效率，从而达到节能和环保的双重效果。因此，需要设计一种冻结工程废热循环回收系统和方法。

技术实现要素：

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种冻结工程废热循环回收系统,包括压缩制冷机、蒸发式冷凝器、储氨罐、蒸发皿、虹吸罐、减压阀、流量阀，其中，在压缩制冷机与蒸发式冷凝器之间设置有排气总管，排气总管通过流量阀将一部分来自压缩制冷机的高压过热氨蒸汽通过废热回收器的进气口输送到废热回收器，用于与从废热回收器中的进水口流入的待加热盐水换热；排气总管通过流量阀将另一部分来自压缩制冷机的高压过热氨蒸汽输送到蒸发式冷凝器直接冷凝；废热回收器的下部排放口与虹吸罐联通，用于回收高压气液混合氨；废热回收器的上部排放口与排气总管联通，用于将大部分过热氨蒸汽经排气总管输送到蒸发式冷凝器；来自虹吸罐和蒸发式冷凝器的液态氨分别经减压阀进入储氨罐，再输送到蒸发皿中，用于对冻结工程的盐水进行冷却，压缩制冷机用于将蒸发皿中吸热后的高温气态氨加压输送至排气总管，进行再一次制冷和废热回收循环。

本发明提供了一种冻结工程废热循环回收方法，包括如下步骤：

(1)通过排气总管中的流量阀的控制调节将来自压缩制冷机的一部分高压过热氨蒸汽输送到废热回收器中，将来自压缩制冷机的另一部分高压过热氨蒸汽输送到蒸发式冷凝器；

(2)进入废热回收器中的高压过热氨蒸汽与经进水口进入废热回收器中的待加热盐水进行换热，形成一部分高温氨蒸汽和一部分高压气液混合氨；

(3)步骤2中的高温氨蒸汽经废热回收器的上部排放口返回排气总管，并进入蒸发式冷凝器，以进一步冷凝；

(4)步骤2中高压气液混合氨在重力作用下经废热回收器的下部排放口进入虹吸罐进行气液分离；

(5)在废热回收器中经热交换后已加热的热盐水经出水口排出，经泵送进入储水池，用于冻结工程现场的供暖用水和井壁保护用水。

优选地，所述废热回收器为固定板式热交换器。

优选地，步骤2中的高温氨蒸汽的温度为50～60℃。

优选地，步骤2中高压气液混合氨的温度为25～50℃。

优选地，步骤2中的待加热盐水为5～10℃。

优选地，步骤4中的已加热的热盐水温度为19～25℃。

本发明在传统的冻结工程三大循环中，增加废热回收循环。可以在不影响制冷效率的情况下，最大限度的利用冻结工程中的废热，减轻制冷系统冷凝器的负荷，提高制冷系统效率，从而达到节能和环保的双重效果。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

图1是本发明的一个实施例的冻结工程废热循环回收系统的示意图。

图2是本发明的一个实施例的冻结工程固定板式热交换器的结构图。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明的一个实施例，冻结工程废热循环回收系统包括压缩制冷机1、废热回收器2、排气总管3、蒸发式冷凝器4、储氨罐5、蒸发皿6、虹吸罐7、减压阀8、流量阀9；其中，用于冻结工程的压缩制冷机1采用液态氨作为制冷介质，在蒸发皿中的液态氨吸收冻结工程用盐水中的热量后蒸发，再经过压缩制冷机压缩后形成约70-80℃的高压过热氨蒸汽,从压缩制冷机排出的高压过热氨蒸汽经排气总管3的入口f与排气总管3联通，在排气总管3中的流量阀的调节作用下，其中约80％的高压过热氨蒸汽经废热回收器2的进气口a进入废热回收器2中，约20％的高压过热氨蒸汽经过排气总管3的出口g进入蒸发式冷凝器4中将热量传递给冷却水进行冷凝，冷凝后形成的高压液态氨经减压阀8，再经储氨罐5返回蒸发皿6，通过蒸发吸热对冻结工程用盐水进行冷却，产生的气态氨再经压缩制冷机1进行下一制冷和废热回收循环。分别进入废热回收器2和蒸发式冷凝器4的高压过热氨蒸汽的比例可以通过流量阀9进行控制调节。

根据本发明的一个实施例，废热回收器2为固定板式热交换器，其具体结构请参见图2，其包括封头21、法兰22、管板23、拉杆及定距管24、换热管25、折流板26、支座27、进气口a、下部排放口b、上部排放口e、出水口c、进水口d。其中，待加热盐水经进水口d流入废热回收器2，经换热管25与通过进气口a进入废热回收器2的高压过热氨蒸汽进行热交换。经热交换后，大部分过热氨蒸汽(约90～95％)温度为约50～60℃，而有一小部分(约5～10％)过热氨蒸汽经过热交换冷凝成温度为25～50℃的高压气液混合氨，该部分温度为25～50℃的高压气液混合氨受到重力作用，经下部排放口e进入虹吸罐7，实现了气液分离以及气态到液态的转变,形成的液态氨再经过减压阀9减压后经储氨罐5进入蒸发皿6对冻结工程用盐水进行制冷，产生的高温氨蒸汽再进入压缩制冷机1加压进行下一制冷和废热回收循环。

大部分温度为约50～60℃的高温氨蒸汽通过废热回收器2的上部排放口b排放到排气总管3，然后经过排气总管3的出口g流入蒸发式冷凝器4，进行进一步冷凝。

待加热盐水在废热回收器2中与高压过热氨蒸汽换热后，形成温度为19～25℃的热盐水，热盐水经出水口c，通过泵送方式进入储水池，用于冻结工程现场的供暖用水、井壁保护用水。

实施例

(1)冻结工程废热回收传热面积计算

本发明中的废热回收器2选用的是固定板式热交换器(见图2)，其管程介质为待加热盐水，壳程介质为温度大约为70～80℃的过热氨蒸汽。

物性温度变化情况：过热氨蒸汽进口温度70℃，出口温度50℃；待加热盐水进口温度5℃，出口温度20℃。

定性温度：对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。

故壳程流体的定性温度为：

管程流体的定性温度为：

1)热流量

根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据，将数据带入公式1，求热流量q1。

q1＝m1cp1dt1(1)

其中：ρ1——氨气在60℃下密度，kg/m³；

cp1——氨气在60℃下定压比热容，kj/kg·℃；

dt1——氨气进出口温差，℃。

2)平均传热温差

δt2——盐水进出口温差，℃。

3)传热面积估算

k——传热系数，w/(m².k)。

(2)管壳式换热器规格选型

根据传热面积估算结果，参照固定管板式换热器型式与基本参数(jb/t4715-92)选择标准换热器。换热管的规格包括管径和管长，换热管直径越小，换热器单位体积的换热面积越大。因此，对于洁净的流体管径可取小些，但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取得大些，以免堵塞。参数表头如表1.

表1固定管板式换热器参数

(3)管内待加热盐水流速

首先根据热流量计算管内待加热盐水的流量qm2

cp2——盐水在17.5℃下定压比热容，kj/kg·℃；

qm2——待加热盐水的流量，kg/s。

再根据标准换热器提供的参数管程流动面积a1，求管内待加热盐水流速ui

ρ2——盐水在17.5℃下密度，kg/m³

ui——待加热盐水流量，m/s。

根据以上废热回收器的设计计算，可得出表2。将结果带入以上公式中，可得以下废热回收器设计值在满负荷工作状态下可回收热量为25.1505万大卡/h，满足温控孔系统需热量22.985万大卡/h～23.23万大卡/h的需求。

表2计算结果

根据以上设计计算，将结构设计及技术要求、热回收器工作数据制造出的固定板式热交换器成品如图2所示。设计出一台管程介质为待加热盐水，壳程介质为过热氨蒸汽的管程卧式固定板式热交换器。换热管为φ25×2较高级冷拔传热管。换热面积25.87m²，换热管长度1000mm。设计压力：管程0.4ma，壳程1.4ma。温度：壳侧a进口70～80℃，b出口50～60℃，管侧d进口10℃，c出口25℃。

上述实施例只是为了方便说明而举例，本发明所主张的权利范围应以权利要求书为准，而非仅限于上述实施例。