книги / Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства
.pdfзультате чего его температура повышается до 100°С. Хладагент с такими параметрами проходит через маслоотделитель 2 и по падает в межтрубное пространство конденсатора 3, в котором непрерывно циркулирует вода. В результате охлаждения пары конденсируются и хладагент переходит в жидкое состояние. При этом давление его примерно остается тем же, а температу ра понижается до 15—25 °С в зависимости от расхода и темпе ратуры охлаждающей воды.
Жидкий хладагент из конденсатора по трубопроводу 4 про ходит через дроссельное устройство 5, а оттуда по трубопрово дам 6 поступает в испаритель 8, где резко снижается давление хладагента до 0,05 МПа. .В результате перепада давления хлад агент испаряется, а его температура понижается до температур минус (30—20) °С. Пары хладагента по мере испарения подни маются по змеевикам испарителя 7 и, пройдя грязеуловитель 9, попадают через трубопровод 10 опять в компрессор. На этом заканчивается непрерывный цикл движения хладагента.
Переход жидкого хладагента в газообразное состояние про исходит в испарителе 8 и трубопроводах 6 я 10 с большим по глощением тепла (например, 1 кг аммиака поглощает 1050—■ 1134 кДж). Это тепло отнимается у хладоносителя 12, который находится в рассольном баке 11 и непрерывно с помощью рас творомешалки 13 циркулирует в межтрубном пространстве испарителя 8. В результате этого хладоноситель охлаждается до отрицательной температуры (20—25) °С.
Охлажденный хладоноситель насосом 14 нагнетается по магистральному трубопроводу 15 и распределителю 16 в каж дую замораживающую колонку 17. Циркулируя по заморажи вающим колонкам, хладоноситель отдает холод окружающим горным породам и замораживает их, а сам нагревается на 1—3°С в зависимости от режима замораживания. Пройдя че
рез колонки, хладоноситель попадает в коллектор 18, а затем |
||
в обратный магистральный трубопровод 19, по |
которому |
он |
поступает для повторного охлаждения в испаритель 8. |
име |
|
Таким образом, при работе замораживающей |
станции |
ет место три самостоятельных замкнутых цикла движения: хла дагента, воды в конденсаторе и хладоносителя.
Работа замораживающей станции при одноступенчатом цикле сжатия и использования в качестве хладагента аммиака позволяет понизить температуру хладоносителя минимум до —30°С. Для получения более низких температур используют замораживающие станции, работающие по принципу двухсту пенчатого сжатия хладагента. Принцип работы такой станции показан на рис. 4.10,6. Компрессор низкого давления 1 сжи мает пары хладагента до промежуточного давления, равному 0,4—0,5 МПа. Температура хладагента при этом повышается до 90 °С. С такими параметрами пары хладагента поступают в
промежуточный сосуд 2. В компрессоре высокого давления 6 пары хладагента сжимаются до давления 1,0—1,2 МПа и че рез маслоотделитель 5 поступают в конденсатор 4. В конденса торе хладагент переходит в жидкое состояние и подается на регулирующий вентиль 3, где давление снижается до 0,5 МПа, т. е. до давления в компрессоре первой ступени. Снижение давления до таких пределов позволяет понизить температуру хладагента до минус (8—10) °С. Жидкий хладагент смешивает ся с парами хладагента от компрессора низкого давления. В результате смешения жидкого хладагента и газообразного температура последнего в сосуде 2 снижается до —4°С.
Из промежуточного сосуда одна часть хладагента (газооб
разная) поступает в компрессор высокого давления, а |
вторая — |
ко второму регулирующему вентилю 8, где давление |
вторично |
снижается до 0,05 МПа, что соответствует температуре испа |
|
рения, например аммиака— (50—60) °С, фреона— (60—70) °С. |
От регулирующего |
вентиля хладагент |
поступает |
в испари |
тель 7, а оттуда в компрессор низкого давления 1. |
Охлажде |
||
ние хладоносителя |
до отрицательных |
температур |
происходит |
виспарителе 8 благодаря его непрерывной циркуляции.
Вкачестве хладоносителей используют водные растворы солей (обычно хлоридов) хлористого кальция, хлористого маг ния. Хладоносители, представленные водными растворами хло ридов, получили название рассолов. Концентрация рассола должна быть такой, чтобы температура, замерзания его была на 8 “С ниже температуры испарения хладагента. Наибольшее распространение в практике замораживания получил водный раствор хлористого кальция плотностью 1,28 г/см3.
Широкое применение водных растворов солей (рассолов) связано с тем, что они дешевы и легко могут быть приготовле ны в условиях строительной площадки.
Недостатки рассолов: они весьма агрессивны по отношению
кледопородным ограждениям и в случае утечек из колонок,
что зачастую бывает в практике замораживания, приводят к разрушению ранее созданного ледопородного ограждения и, как следствие, прорыву воды через ограждение.
Кроме того, температура замерзания хлористых рассолов выше температуры испарения хладагента при двухступенчатом сжатии, что вызывает опасность их замерзания в испарителях. В связи с этим в настоящее время, ведутся поиски хладоносите лей, которые были бы дешевле, обладали более низкой темпера турой замерзания, чем хлористые рассолы, и были инертны к ледопородным ограждениям.
Представляет интерес применение в качестве хладоносителей дихлорметана (фреон — 30) и керосина. Характеристики этих хладоносителей, по данным ВНИИОМШСа, приведены в табл. 4.7.
Хладоноситель |
Плотность, кг/м3 |
Теплоем кость, Дж/(кг-°С) |
Хлори |
1286 |
2,747 |
стый |
|
|
кальций |
|
1155 |
Фреон-30 |
1304 |
|
Керосин |
850 |
1890 |
âiS p
l i *
М о £ Н саШ
0,47
0,158
0,232.
Вязкость ди намическая, Па-С |
Температура затвердеваЯШ1, °С |
Коэффици ент объем ного расши рения, °С-1 |
Увеличение объема при максималь-. ном перепа де темпера тур 75 °С. % |
580-Ю-5 - 5 5 |
0,004 |
3 |
|
55*10-5 |
- 9 6 ,7 |
0,0012 |
9 |
265-1О-5 |
—86 |
0,002 |
15 |
Расчеты показывают, что фреон-30 и керосин при прочих равных условиях требуют меньшей поверхности испарения. Однако в связи с малыми теплоемкостью и теплопроводностью они требуют увеличения объемного расхода, а следовательно, увеличения диаметра трубопроводов и мощности двигателей насосов.
Фреон-30 в качестве хладоносителей в настоящее время применяют на ряде химических предприятий страны в установ ках, где водные растворы солей в случае нарушения герметич ности системы приводят к аварии, т. е. в условиях, аналогичных шахтным. Фреон-30 не опасен в пожарном отношении. Недо статками его являются наркотические свойства', высокая прони кающая способность и высокая стоимость. Однако в сложных гидрогеологических условиях при низкотемпературном замора живании пород на большие глубины и при соответствующем качестве монтажа трубопроводов и замораживающих колонок применение фреона-30 экономически может себя оправдать.
В мировой практике шахтостроения были случаи -примене ния в качестве хладоносителя керосина. Так, например, керо син применяли при проходке ствола на калийном месторожде нии в Канаде в 1955 г. для замораживания -пород на глубину 914 м. Керосин совершенно инертен по отношению ко льду, не корродирует металл трубопроводов и аппаратов, вязкость его при низких температурах меньше, чем у хлористого кальция. К отрицательным свойствам керосина следует отнести его по
жароопасность, большой |
коэффициент |
объемного расширения |
(в 6 раз больше, чем у |
хлористого |
кальция) и повышенную |
проницаемость. Температура вспышки паров керосина при вне сении открытого пламени 30—40 °С. При использовании керо сина в систему необходимо включить расширительную емкость на случай продолжительной остановки замораживающей стан ции. Эта емкость должна быть рассчитана на увеличение объе ма при повышении температуры хладоносителя на 10—15 “С.
4.2.2. Оборудование замораживающей станции
Как указывалось выше, замораживающая станция состоит из компрессора, конденсатора, испарителя, вспомогательных сосудов и Запорной аппаратуры.
Основным оборудованием замораживающей станции явля ется компрессор. В качестве паровых холодильных машин при меняют преимущественно поршневые компрессоры. Однако могут применяться ротационные и турбинные компрессоры. По ступеням сжатия различают компрессоры одно-, двух- и трехступенчатые. По направлению движения хладагента в ци линдре компрессоры бывают прямоточные, в которых хладагент движется в одном направлении по отношению к цилиндру от момента всасывания до момента выталкивания, и компрессоры непрямоточные, в которых хладагент меняет свое направление движения, следуя за поршнем. По рабочим полостям их подраз деляют на компрессоры простого действия, в которых хлад агент сжимается только одной стороной поршня, и компрессоры двойного действия, в которых сжатие хладагента осуществляет ся поочередно обеими сторонами поршня. По числу цилиндров компрессоры делят на одно- и многоцилиндровые, по располо жению осей цилиндров — на горизонтальные, вертикальные и с угловым расположением цилиндров (V-образные)'. По скорости вращения вала компрессоры делят на тихоходные и быстро ходные.
Тип компрессора выбирают в зависимости от требуемой хладопроизводительности и основных параметров работы замо раживающей станции: температуры и давления испарения, температуры и давления конденсации, температуры перед регу лирующим вентилем, степени сжатия хладагента в цилиндрах компрессора.
Учитывая, что хладопроизводительность компрессора — ве личина переменная, зависящая от температур и давлений ис парения и конденсации, в холодильной технике различают хладопроизводительность компрессора при нормальных и стан дартных условиях работы компрессора. В первом случае хла допроизводительность компрессора определяют в нормальных условиях при следующих температурных условиях: температура конденсации fK= + 25°C; температура перед регулирующим вентилем /в= +15°С; температура испарения ta= —10°С. Хла допроизводительность в стандартных условиях определяют при условиях: tK= +3Ô°C, /„= + 2 5 °С; tu— — 15°С.
В практике компрессоры используют при весьма разнооб разных температурных условиях в зависимости от имеющейся в наличии охлаждающей воды и заданной температуры испа рения хладагента, которые обычно значительно отличаются от нормальных. Хладопроизводительность компрессора, развивае-
мую при действительных температурных условиях, т. е. отлич ных от нормальных или стандартных, называют рабочей. Для пересчета хладопроизводительности компрессора от нормаль ной к рабочей применяют формулу
QP — Qiнор |
яу |
ЯУ-пор А>0. ПОР |
|
|
» |
где QP — хладопроизводительность компрессора при рабочих |
условиях, Вт; Q,t0p — хладопроизводительность компрессора при нормальных условиях, Вт; qv— объемная хладопроизводитель ность 1 м3 холодильного агента (при рабочих условиях прини мают по справочным таблицам), кДж/м3; qv.нор — объемная хладопроизводительность 1 м3 холодильного агента при нор
мальных условиях |
(например, |
для |
аммиака |
равна |
|
2851 кДж/м3); |
ХоДо.пор— отношение |
коэффициентов |
подачи |
||
компрессора при |
рабочих и нормальных |
условиях, определяе |
мых по заводским графикам.
Рабочая хладопроизводительность компрессора при цикле одноступенчатого сжатия хладагента
Qp -ItfvVn,
при двухступенчатом сжатии хладагента
Q W rfV V p , |
|
|
|
|
|
|
|
где q'v — объемная |
хладопроизводительность |
хладагента |
при |
||||
рабочей |
температуре испарения и |
температуре |
перед регули |
||||
рующим |
вентилем |
(принимают по таблицам |
объемной |
хладо |
|||
производительности |
хладагента), |
кДж/м3; |
А/р — коэффициент |
||||
подачи |
цилиндров |
первой |
ступени, |
зависящий |
от отношения |
||
давления в промежуточном |
сосуде |
к давлению |
испарения хла |
дагента (принимают по заводским графикам); 1/п — часовой объем, описываемый поршнем компрессора, м3; Vz — то же, вто рой ступени, м3.
Для ориентировочных расчетов можно пользоваться следу
ющим |
правилом: на каждый градус |
понижения температуры |
ниже |
— 10 °С хладопроизводительность |
компрессора уменьша |
ется на 3,5—4%. Наоборот, на каждый градус повышения тем пературы испарения сверх — 10°С хладопроизводительность компрессора увеличивается на 3,5—4%. Изменение хладопроиз водительности на 4% относится к горизонтальным машинам, а на 3,5% — к вертикальным. Хладопроизводительность компрес соров при температуре испарения —25 °С примерно в 2,5 раза меньше хладопроизводительности компрессоров при температу ре испарения — 10°С.
Температуру испарения принимают на 5°С ниже темпера туры хладоносителя, подаваемого в колонки при одноступенча
том режиме работы станции, и на 7—8°С при двухступенчатом режиме, но не ниже на 5—7°С температуры замерзания хл адо носителя. Давление испарения хладагента принимают по спра вочным таблицам в зависимости от требуемой температуры испарения. Температуру конденсации хладагента принимают на 10°С выше температуры, подаваемой в конденсатор.
Температура хладагента перед регулирующим вентилем для одноступенчатого компрессора
*рв= *к+ ( 2 -г 3);
для двухступенчатого компрессора
*рв=*пс+(2 -т- 3),
где fnc — температура' хладагента в промежуточномсосуде, °С. Марку компрессора выбирают по справочным данным или заводским нормалям на основании подсчитанной рабочей хла-
допроизводительности.
Для получения температур испарения ниже —55°С работу аммиачных компрессоров строят по трехступенчатому циклу сжатия. ВНИИхолодмаш для этой цели рекомендует, применять два аммиачных бустеркомпрессорных агрегата АК-РАБ-600 в сочетании с одним двухступенчатым компрессором ДАОН-350. Агрегат АК-РАБ-600 имеет следующую характеристику.
Объем |
всасывания, |
м3/ч |
|
4060 |
Хладопроизводительность (Вт) при температуре испарения: |
3 ,4 8 -10s |
|||
—50 °С |
. . . . |
|||
—6 0 |
°С |
2 ,3 2 -105 |
||
Мощность двигателя |
марки |
А-11.3-12,Вт |
100 |
Конденсатор служит для охлаждения и сжатия газообраз ного хладагента, поступающего из компрессора. Переход хлад агента в жидкое состояние происходит при постоянном давле нии, благодаря отдаче им тепла охлаждающей воде.
Конденсаторы в конструктивном отношении бывают ороси тельные, элементные и кожухотрубные.
Оросительный конденсатор .(рис. 4.11, а) состоит из отдель ных змеевиков и секций. Змеевики выполнены из труб диамет ром 51/57 мм. Каждая секция состоит из 14 труб и имеет 4 про межуточных отвода. Длина секции 6 м, высота 1,2 м. Поверх ность охлаждения одной секции составляет 15 м2. В зависи мости от требуемой поверхности охлаждения конденсатор соби рают из двух — шести секций, которые устанавливают друг от друга на расстоянии 0,5—0,6 м и соединяют между собой кол лекторами.
Газообразный хладагент через распределитель поступает в секции снизу и направляется вверх. Снаружи змеевики ороша ются охлажденной водой, стекающей из желобов, размещенных
Рис. 4.11. 'Оросительный конденсатор МКО с промежуточным отводом жид
кости, |
элементный |
и |
горизонтальный |
кожухотрубный |
конденсаторы: |
|
||||||||
/ — запорные вентили |
на |
нагнетательных |
и |
жидкостных трубопроводах: |
2 — приемная |
|||||||||
сетка; |
5 — сборник |
жидкого хладагента; |
4 —вентиль для |
спуска масла; 5 — распре |
||||||||||
делитель; |
6 — коллектор; |
7 — отводные патрубки; |
5.— общий |
запорный |
газовый |
вен |
||||||||
тиль; |
Р— уравнительная трубка; |
/0 —вентиль |
на |
уравнительной трубке; |
11 — вентиль |
|||||||||
на линии |
к воздухоотделителю; |
/2 —запорная |
задвижка |
на |
циркуляционном трубо |
|||||||||
проводе; |
13 — трубопровод |
циркуляционной |
воды; |
14 — распределительный |
желоб; |
/5 — |
||||||||
трубопровод свежей |
воды; |
16 — переливная |
воронка |
|
|
|
|
над змеевиками. По мере сжижения жидкий хладагент по пат рубкам поступает в коллектор, а оттуда в сборник жидкого хладагента. Секции конденсатора устанавливают на железном или деревянном поддоне для сбора воды. Часть воды через сливные воронки удаляется, а другая часть ее всасывается цир куляционным насосом и направляется снова в конденсатор, где она смешивается со свежей водой, сокращая, таким образом, расход последней. Оросительные конденсаторы устанавливают на открытом воздухе с тем, чтобы потоки воздуха способство-
вали испарению охлаждающей воды, вызывая дополнительное охлаждение хладагента. Конденсаторы с промежуточным отво дом жидкого аммиака обычно устанавливают с двумя градир
нями: одну — над конденсатором, другую — рядом |
с ним для |
охлаждения воды, прошедшей через конденсатор. |
Количество |
воды, поступающей на конденсатор, должно быть |
10— 12* м3/ч |
на каждую секцию, включая до 50% свежей воды. Удельная
нагрузка конденратора |
этого типа составляет |
14000— |
||
16 000 кДж/(м2-ч) при |
разности |
температур |
между |
жидким |
хладагентом и охлаждающей водой |
Д^=5°С. |
Конденсаторы |
оросительного типа применяют, когда в охлаждающей воде име ется недостаток, при загрязненной воде или когда вода облада ет высокой жесткостью.
Элементный конденсатор (рис. 4.11,6) состоит из ряда эле ментов 1. Каждый элемент такого конденсатора состоит из трубы достаточно большого диаметра (250—300 мм), в- кото рой располагается не одна, а несколько труб 2 меньшего диа метра. Внутренние трубы' развальцовывают в специальных трубных решетках, приваренных к концам наружных труб. Па ры хладагента поступают сверху в межтрубное пространство и, пройдя последовательно все элементы секции, конденсиру ются. Жидкий хладагент стекает в ресивер 4. Межтрубное про странство каждого элемента соединяется специальными пат рубками 3.
Охлаждающая вода движется по внутренним трубам. Вода может переходить последовательно во все элементы секции, по ступая в нижний и выходя из верхнего, или параллельно по всем элементам. Элементные конденсаторы применяют в холо дильных установках средней и большой производительности при достаточном количестве воды для охлаждения.
Кожухотрубные конденсаторы бывают горизонтального и вертикального типа. Кожухотрубный горизонтальный конден сатор (рис.. 4.11, в) состоит из цилиндрического кожуха диа метром 600—1200 мм, внутри которого располагаются трубки диаметром 51/57 мм. Кожух закрыт с двух сторон трубными решетками, в- которых развальцованы трубки. Пары хладагента из компрессора поступают в верхнюю часть межтрубного про странства, конденсируются на внешней поверхности труб, со бираются на дне конденсатора и затем направляются в сбор ник жидкого хладагента. Охлаждающая вода подается' в кон денсатор снизу, циркулирует по внутренним трубам, совершай несколько ходов по конденсатору, и подогретой выходит в верх ней части конденсатора. Фреоновые горизонтальные кожухо трубные конденсаторы отличаются от аммиачных тем, что в них применяют медные теплообменные трубы, оребренные со стороны фреона.
Вертикальные кожухотрубные конденсаторы отличаются от
горизонтальных расположением кожуха и распределением во ды. Вода в таких конденсаторах не заполняет все сечение тру бы, а только покрывает тонким слоем ее внутреннюю поверх ность.
Удельная нагрузка кожухотрубных конденсаторов изменя ется от 14000 до 24000 кДж/(м2-ч). Кожухотрубные конденса торы рекомендуется применять в случае, когда у охлаждающей воды малая жесткость и нет механических примесей. Горизон тальные конденсаторы рекомендуются для компрессоров хладопроизводительностыо 348000—464000 Вт, вертикальные — при большей хладопроизводительности.
Испаритель — это теплообменный аппарат, в котором теп ло от хладоиосителя (рассола) передается хладагенту (аммиа ку или фреону).
В испаритель поступает жидкий хладагент, который в ре зультате подвода тепла кипит, превращаясь в пар. Для замо раживания горных пород применяют вертикально-трубные и кожухотрубные испарители (рис. 4.12).
Вертикально-трубный испаритель типа ИА состоит из ме таллического бака прямоугольного сечения, в котором установ лены батареи. Каждая из батарей состоит из двух горизонталь
ных коллекторов |
(верхнего и нижнего), соединенных между |
|||
собой короткими |
испарительными трубками, |
расположенными |
||
в четыре ряда. Жидкий хладагент попадает |
в |
распределитель |
||
и через |
верхний коллектор и стояк заполняет |
испарительные |
||
трубки. |
ПузЫрьки |
газообразного хладагента, |
|
образовавшиеся |
в испарительных трубках, поднимаются вверх и увлекают за собой жидкий хладагент, который затем из верхнего коллекто ра по стоякам вновь опускается вниз. Пары хладагента прохо дят через отделитель жидкого хладагента и поступают в сбор ник, откуда всасываются компрессором. В баке испарителя устанавливают от 4 до 10 испарительных батарей в зависимо сти от требуемой поверхности охлаждения. Поверхность охлаж дения батарей изменяется от 10 до 40 м2. Бак испарителя раз деляют одной или двумя вертикальными перегородками. Для подачи хладоиосителя в рассольную систему в баке испарителя имеется отверстие.
Хладоиоситель, заключенный в испарителе, приводится в не прерывное движение мешалкой с частотой вращения 3,7—4 с-1. Скорость движения рассола в баке испарителя 0,5—0,75 м/с. Испарители с поверхностью охлаждения свыше 240 м2 изготов
ляют |
с двумя мешалками. |
Удельная |
нагрузка |
поверхности |
|
охлаждения испарителей |
интенсивного |
действия |
составляет |
||
10000 |
кДж/(м2/ч) при разности температур прямого рассола |
||||
и испарения хладагента 5°С. |
|
|
|
||
Кожухотрубные испарители устроены по принципу кожухо |
|||||
трубных конденсаторов. |
Они |
состоят из горизонтального ци- |
Рис. 4.12. Типы испарителей: вертикально-трубный (а) .и ксжухотрубный (б) испарители:
/ — бак: |
2 —тепловая изоляция; |
3 — крышка; |
4 — испарительная |
секция; |
5 — отдели |
|||||
тель |
жидкого |
хладагента; |
6 — сборник масла; |
7 — уравнительная |
трубка; |
8 |
рассоль |
|||
ная |
мешалка; |
9 — отбор рассола; |
10 — перелив |
рассола; |
Л — спуск |
рассола; |
12 — шкив |
|||
мешалки; |
J3 — коллектор; |
/‘/ — испарительные |
трубки; |
15 — распределитель; |
16 — сто |
|||||
як; |
17 — сборник хладагента |
|
|
|
|
|
|
линдрического кожуха большего диаметра, внутри которого размещается много тонких труб, развальцованных или вварен ных в трубные решетки, расположенные по концам кожуха. В межтрубном пространстве кипит холодильный агент, а по трубам циркулирует хладоноситель. Скорость движения хладоиосителя в трубах изменяется от 0,75 до 2 м/с. Удельная теп ловая нагрузка на 1 м2 поверхности испарителя при разности температур жидкого хладагента и хладоносителя в 5°С и ско