一种用于人工地层冻结系统的二氧化碳载冷机组的制作方法

1.本发明涉及一种用于人工地层冻结系统的以二氧化碳作为载冷剂的制冷机组。


背景技术：

2.人工地层冻结是利用制冷技术，使地层中的水冻结，把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，以便在冻结壁的保护下进行隧道、立井或地下工程的开挖与施工。
3.在已有的冻结法中，最为常见和应用最广的方法是采用氯化钙水溶液作为载冷剂进行冻结。氯化钙水溶液冻结存在一定的效率和施工成本问题。为克服该方法的缺陷，出现了以二氧化碳作为载冷剂的人工地层冻结系统。比如，公开号为cn214573874u的中国实用新型专利公开的一种“利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结系统”。该系统中包含“第一循环”、“第二循环”和“第三循环”，其中“第二循环”的本质是压缩制冷循环。该公开技术主要存在以下缺陷：首先，其“第二循环”过程中，制冷剂沿程阻力和局部阻力较大，所述阻力会导致制冷剂在被冷凝成液体后，进入节流阀之前，压力降低至低于温度对应的饱和压力而产生气化，从而导致制冷剂流量发生变化，最终对二氧化碳的冷却效果造成不利影响。
4.其次，在“第二循环”过程中，制冷剂在吸热蒸发变成气态后，会夹杂着未蒸发的制冷剂液体一起流动，造成压缩机吸气带液，继而会对压缩机造成严重危害。
5.第三，其二氧化碳液体是通过泵输送到冻结管，无法适应冻结管负荷变化导致二氧化碳气液体积比例的变化。由于泵输送都是多倍循环，即输送的二氧化碳质量流量大于冻结管负荷所需要的质量流量，因此从冻结管返回的是二氧化碳气体和液体的混合物。不需要被冷凝的二氧化碳液体直接进入液化结构，会占用换热面积，影响换热效率。
6.目前，尚未有成型且效果令人满意的机组产品或方案，能够安全有效、切实可行地应用于以二氧化碳作为载冷剂的人工地层冻结系统中。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是，提供一种安全、环保、节能和有效的二氧化碳载冷机组，以应用于以二氧化碳作为载冷剂的人工地层冻结系统。
8.本发明技术方案如下:一种用于人工地层冻结系统的二氧化碳载冷机组，包括开启单级螺杆压缩机，油路系统，经济器，水冷冷凝器，冷凝蒸发器，二氧化碳贮液器，二氧化碳屏蔽泵和控制系统，所述油路系统包括油分离器，液冷油冷却器，油过滤器和润滑油泵，其特征在于：油分离器出油口与液冷油冷却器进油口连接，液冷油冷却器出油口与油过滤器进口连接，油过滤器出口与润滑油泵进口连接，润滑油泵出口与开启单级螺杆压缩机连接；开启单级螺杆压缩机出口与油分离器进气口连接，油分离器出气口与水冷冷凝器进气口连接，水冷冷凝器出液口与经济器进液口连接，经济器出液口与冷凝蒸发器进液口连接，冷凝蒸发器出气口与开启单级螺杆压缩机连接；
从冻结管回来的管道与二氧化碳贮液器进液口连接，二氧化碳贮液器出气口与冷凝蒸发器进气口连接，冷凝蒸发器出液口与二氧化碳贮液器回液口连接，二氧化碳贮液器出液口与二氧化碳屏蔽泵连接，通过二氧化碳屏蔽泵将液态二氧化碳供到冻结管。
9.优选地，所述经济器采用干式管壳式换热器，安装有温度变送器、压力变送器和电子膨胀阀；通过控制系统对经济器制冷剂供液进行控制，实现将制冷剂液体进行过冷，以增加冷量。
10.优选地，所述冷凝蒸发器采用满液管壳式换热器，安装有液位变送器和电子膨胀阀，通过控制系统对蒸发器制冷剂供液进行控制，实现将气态二氧化碳降温冷却至液态。
11.优选地，所述二氧化碳贮液器安装有液位变送器和压力变送器，通过控制系统对二氧化碳屏蔽泵进行启停控制，实现将液态二氧化碳供到冻结管。
12.本发明的积极效果在于：机组包含油路系统，通过油泵强制供油给压缩机，一方面解决压缩机运转部件的润滑问题；另一方面润滑油能够对压缩终了的制冷剂进行一定程度的冷却，使压缩终了温度在压缩机可承受范围之内。
13.机组包含经济器，通过经济器可以将被冷凝成液体的制冷剂冷却至较低温度，即使循环中存在阻力，制冷剂的压力也会远高于温度对应的饱和压力，在进入节流阀之前也就不会产生气化，不会对二氧化碳的冷却效果造成不利影响，反而会增加同等工况条件下压缩机的制冷量。
14.机组的冷凝蒸发器采用满液式结构，壳程内置分离空间，兼有制冷剂气液分离功能。保证压缩机吸气不会出现带液情况。
15.机组包含二氧化碳贮液器，贮液器顶部内置分离空间，兼有二氧化碳气液分离功能。一方面保证二氧化碳泵前有足够的二氧化碳液体存储量，以适应冻结管负荷变化；另一方面解决二氧化碳从冻结管返回后的气液分离问题，仅使二氧化碳气体进入冷凝蒸发器充分进行换热。
附图说明
16.图1是作为本发明实施例的二氧化碳载冷机组的流程示意图。
17.图2是作为本发明实施例的二氧化碳载冷机组的结构示意图。
18.图中，1、开启单级螺杆压缩机，2、油分离器，3、水冷冷凝器，4、第一液位变送器，5、冷凝蒸发器，6、第二压力变送器，7、第二液位变送器，8、二氧化碳屏蔽泵，9、二氧化碳贮液器，10、第一电子膨胀阀，11、经济器，12、第二电子膨胀阀，13、温度变送器，14、第一压力变送器，15、液冷油冷却器，16、油过滤器，17、润滑油泵。
具体实施方式
19.以下结合实施例和附图对本发明进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明请求保护的范围。
20.如图1和图2，一种用于人工地层冻结系统的二氧化碳载冷机组，所述载冷机组包括开启单级螺杆压缩机1，油分离器2，液冷油冷却器15，油过滤器16，润滑油泵17，经济器11，水冷冷凝器3，冷凝蒸发器5，二氧化碳贮液器9，二氧化碳屏蔽泵8。
21.润滑油侧：油分离器2油相出口通过管路连接液冷油冷却器15壳程进口，液冷油冷却器15的壳程出口与油过滤器16进口连接，油过滤器16出口与润滑油泵17进口连接，润滑油泵17出口与开启单级螺杆压缩机1连接。
22.水冷冷凝器3的壳程第一出口通过管路连接液冷油冷却器15的管程入口，水冷冷凝器3的壳程第一入口通过管路连接冷油冷却器15的管程出口。
23.制冷剂侧：开启单级螺杆压缩机1出口与油分离器2连接，油分离器2气相出口与水冷冷凝器3进气口连接，水冷冷凝器3壳程第二出口与经济器11进液口连接，经济器11出液口与冷凝蒸发器5的壳程进液口连接，冷凝蒸发器5的壳程出气口与开启单级螺杆压缩机1吸气口连接。
24.二氧化碳侧：从冻结管回来的管道与二氧化碳贮液器9进液口连接，二氧化碳贮液器9出气口与冷凝蒸发器5的管程进气口连接，冷凝蒸发器5的管程出液口与二氧化碳贮液器9回液口连接，二氧化碳贮液器9出液口与二氧化碳屏蔽泵8连接，通过二氧化碳屏蔽泵8将液态二氧化碳供到冻结管。
25.经济器11采用干式管壳式换热器，并安装有温度变送器13、第一压力变送器14和第二电子膨胀阀12。
26.冷凝蒸发器5采用满液管壳式换热器，安装有第一液位变送器4和第一电子膨胀阀10。
27.二氧化碳贮液器9安装有第二液位变送器7和第二压力变送器6。
28.水冷冷凝器3管程连接有冷却水进出管。经济器11管程排出口通过管路连接开启单级螺杆压缩机1的补气口。
29.下面对本实施例的工作流程进行说明。
30.制冷剂侧：开启单级螺杆压缩机1从冷凝蒸发器5壳程吸入制冷剂，使冷凝蒸发器5壳程中的制冷剂压力降低，对应饱和温度降低至-50℃。被吸入开启单级螺杆压缩机1的制冷剂经过压缩后，变成高压高温的制冷剂气体，与润滑油一同排入到油分离器2中。制冷剂气体与润滑油的混合物在油分离器2中进行油气分离，润滑油沉入油分离器2底部。制冷剂气体从油分离器2中排出，进入水冷冷凝器3壳程，与水冷冷凝器3管程中冷却水进行换热，高压高温的制冷剂气体被水冷却为高压、40℃的制冷剂液体。所述制冷剂液体从水冷冷凝器3壳程排出，进入经济器11壳程。经济器11壳程分流出一股制冷剂液体，经过第二电子膨胀阀12节流降压为低压、-25℃的制冷剂气液两相混合物，再进入经济器11管程。经济器11壳程的40℃制冷剂与经济器11管程的-25℃制冷剂进行换热，经济器11壳程的制冷剂液体被冷却为-20℃的制冷剂液体，经济器11管程的制冷剂气化，从经济器11管程排出进入开启单级螺杆压缩机1。经济器11壳程被冷却为-20℃的制冷剂液体从经济器11壳程排出，经过第一电子膨胀阀10，节流降压为低压、-50℃的制冷剂气液两相混合物，再进入冷凝蒸发器5壳程。冷凝蒸发器5壳程中的-50℃的制冷剂液体与冷凝蒸发器5管程中的二氧化碳气体进行换热并气化。冷凝蒸发器5采用满液管壳式换热器，壳程内置分离空间，兼有制冷剂气液分离功能，气化后的制冷剂气体被开启单级螺杆压缩机1吸入，完成循环。
31.润滑油侧：沉入油分离器2中的润滑油，从油分离器2中排出，进入液冷油冷却器15壳程，与液
冷油冷却器15管程中的40℃的制冷剂进行换热，降温至50℃。50℃的润滑油从液冷油冷却器15排出，经过油过滤器16过滤后，经过润滑油泵17加压打入开启单级螺杆压缩机1，进行润滑、冷却等作用。然后与制冷剂气体一同排入到油分离器2中，完成循环。液冷油冷却器15采用制冷剂冷却润滑油，40℃的制冷剂液体从水冷冷凝器3壳程进入液冷油冷却器15管程，经过与润滑油换热之后，变成40℃的制冷剂气体，再次进入水冷冷凝器3壳程。
32.二氧化碳侧：冷凝蒸发器5管程中的二氧化碳气体与冷凝蒸发器5壳程中-50℃的制冷剂液体进行换热，被冷却为-45℃的二氧化碳液体，从冷凝蒸发器5管程排出，进入二氧化碳贮液器9进行缓存。-45℃的二氧化碳液体从二氧化碳贮液器9排出，经过二氧化碳屏蔽泵8加压输送到末端冻结管。二氧化碳屏蔽泵8是多倍率循环，因此从末端冻结管回来的二氧化碳是气液两相混合物。二氧化碳贮液器9兼有二氧化碳气液分离功能，从末端冻结管回来的二氧化碳气液两相混合物进入二氧化碳贮液器9进行气液分离，液体沉入二氧化碳贮液器9，气体从二氧化碳贮液器9排出进入冷凝蒸发器5管程，完成循环。
33.控制：经济器11采用干式管壳式换热器，安装有温度变送器13、第一压力变送器14和第二电子膨胀阀12，通过控制系统对从经济器11管程排出的制冷剂气体过热度进行监测，从而对第二电子膨胀阀12进行调节，实现经济器制冷剂供液控制。
34.冷凝蒸发器5采用满液管壳式换热器，安装有第一液位变送器4和第一电子膨胀阀10，通过控制系统对冷凝蒸发器5壳程液位进行监测，从而对第一电子膨胀阀10进行调节，实现冷凝蒸发器制冷剂供液控制。
35.二氧化碳贮液器9安装有第二液位变送器7和第二压力变送器6，通过控制系统对二氧化碳贮液器9的液位和压力进行监测，从而对二氧化碳屏蔽泵8进行启停控制，实现将液态二氧化碳供到冻结管，同时实现当液位和压力出现异常时，对二氧化碳载冷机组的保护。