[科普中國(guó)]-凍結(jié)循環(huán)

凍結(jié)循環(huán)是指豎井凍結(jié)法掘進(jìn)工藝中，由氨、冷卻水和鹽水等二個(gè)循環(huán)所組成的冷卻系統(tǒng)。其循環(huán)過(guò)程是：由冷媒劑(鹽水)吸收巖層的熱量，并把這部分熱量傳給制冷劑(液氨)，經(jīng)壓縮作功后，氨把這部分熱量傳給冷卻水，冷卻水把熱量帶到大自然中。

簡(jiǎn)介凍結(jié)循環(huán)是指豎井凍結(jié)法掘進(jìn)工藝中，由氨、冷卻水和鹽水等二個(gè)循環(huán)所組成的冷卻系統(tǒng)。其循環(huán)過(guò)程是：由冷媒劑(鹽水)吸收巖層的熱量，并把這部分熱量傳給制冷劑(液氨)，經(jīng)壓縮作功后，氨把這部分熱量傳給冷卻水，冷卻水把熱量帶到大自然中1。

氨循環(huán)實(shí)際上是卡諾逆循環(huán)的熱功轉(zhuǎn)換過(guò)程。它是用氨作制冷劑、液氨在蒸發(fā)器中蒸發(fā)變?yōu)轱柡驼魵鈺r(shí)，吸收蒸發(fā)器周圍鹽水中的熱量。使之成為低溫鹽水，而氨的飽和蒸氣則被壓縮機(jī)吸入井壓縮為過(guò)熱蒸氣，后經(jīng)冷凝器冷卻成高壓飽和液氨，再通過(guò)節(jié)流閥減壓為低壓液氨而流人蒸發(fā)器中重新蒸發(fā)，構(gòu)成氨循環(huán)。根據(jù)對(duì)制冷溫度的不同要求，氨循環(huán)有一級(jí)壓縮、二級(jí)壓縮等不同循環(huán)系統(tǒng)。

冷卻水循環(huán)冷卻水用來(lái)冷卻氨的過(guò)熱蒸氣。在冷凝器中由于冷卻水的淋洗而把氨的過(guò)熱蒸氣的熱量帶走，使氨的溫度降到冷凝溫度而液化，而冷卻水則必須不停地循環(huán)流動(dòng)，不斷補(bǔ)充部分新水。通常由水源、水泵、冷凝器、泄水溝、循環(huán)水池構(gòu)成冷卻水循環(huán)系統(tǒng)2。

鹽水循環(huán)鹽水(冷媒劑)在制冷過(guò)程中起著傳遞冷量的作用。它從蒸發(fā)器外部的鹽水箱內(nèi)取得冷量后，用鹽水泵排經(jīng)干管、配液圈、供液管進(jìn)入各凍結(jié)器底部，再沿凍結(jié)管和供液管間的環(huán)形空間自下而上流動(dòng)并吸收凍結(jié)管周圍地層的熱量而使地層降溫凍結(jié)，上升鹽水又經(jīng)回液管、集液圈、干管返回冷凍站的鹽水箱，構(gòu)成鹽水循環(huán)。

凍結(jié)壓力成因凍結(jié)壓力是指豎井凍結(jié)法掘進(jìn)施工期間，凍結(jié)壁作用于井壁上的壓力。主要有并簡(jiǎn)開掘后形成的二次應(yīng)力場(chǎng)、土中水結(jié)冰時(shí)體積膨脹和某些粘性土層吸濕后自身體積膨脹等成因。一般以前兩者為主，但枯性土層特別是膨脹性大的粘土層則三者兼有，且以后者為主3。

凍結(jié)壓力形成過(guò)程凍結(jié)壓力隨時(shí)間變化，且受施工方式的影響。其形成過(guò)程是，在形成凍結(jié)壁的過(guò)程中，地層處于原巖應(yīng)力狀態(tài)下凍結(jié)膨脹，產(chǎn)生附加應(yīng)力場(chǎng)，使總的地應(yīng)力升高，凍結(jié)壁內(nèi)部積聚較多能量，當(dāng)并筒開挖后，凍結(jié)壁的約束解除，應(yīng)力重新分布。其內(nèi)側(cè)產(chǎn)生塑性變形，井幫以不斷向并內(nèi)位移形式釋放能量，砌壁使凍結(jié)壁位移受阻，便產(chǎn)生對(duì)井壁的壓力，這是凍結(jié)壁變形引起的變形壓力，它構(gòu)成前期的凍結(jié)壓力。在砌筑井壁后，尤其是采用混凝土井壁時(shí)，混凝土的水化熱使壁后凍土融化，此時(shí)凍結(jié)壓力下降；當(dāng)融土在凍結(jié)孔供冷下又重新回凍時(shí)產(chǎn)生凍脹力，同時(shí)由于混凝土析出的多余水分遷移到土層中，土體含水率增加，凍脹加劇，這些為回凍脹力，它使后期的凍結(jié)壓力回升以至達(dá)到最大值。當(dāng)冷凍站停止供冷后，凍結(jié)壁溫度上升井開始自然解凍，凍結(jié)壓力逐漸下降并向永久地壓過(guò)渡?？梢姡瑑雒浟?、回凍脹力等僅是凍結(jié)壓力的一部分、但有時(shí)是很主要的部分。

影響凍結(jié)壓力的因素主要有原始地應(yīng)力和二次應(yīng)力場(chǎng)、土層性質(zhì)、凍結(jié)深度、凍結(jié)溫度、井壁材料和構(gòu)造、施工工藝等。不同條件下凍結(jié)壓力變化規(guī)律和最大值不同。一般砂性土凍結(jié)壓力很小，而粘性土特別是鈣質(zhì)粘土層的凍結(jié)壓力則較大。凍結(jié)壓力尚無(wú)通用的理論公式計(jì)算，多用在井壁內(nèi)安裝壓力盒等方式實(shí)側(cè)，設(shè)計(jì)井壁時(shí)可采用類比法參照條件相似的井筒的實(shí)測(cè)資料加以選取2。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)