Циклы работы станции
При работе замораживающей станции имеет место три самостоятельных замкнутых цикла: цикл движения хладагента, цикл движения воды в конденсаторе и цикл движения хладоносителя.
В качестве хладоносителей используют водные растворы солей (обычно хлоридов): хлористого кальция, хлористого магния. Хладоносители, представленные водными растворами хлоридов, получили название рассолов. Концентрация рассола должна быть такой, чтобы температура замерзания его была на 8° ниже температуры испарения хладагента. Наибольшее распространение в практике замораживания получил водный раствор хлористого кальция плотностью 1,28 г/м3.
Работа замораживающей станции при одноступенчатом цикле сжатия и использовании в качестве хладагента аммиака позволяет понизить температуру хладоносителя минимум до -30 °С. Для получения более низких температур используют замораживающие станции, работающие по принципу двухступенчатого сжатия хладагента. Принцип работы такой станции показан на рис. 4.6. Компрессор низкого давления сжимает пары хладагента промежуточного давления, равному 0,4-0,5 МПа. Температура хладагента при этом повышается до 80-90 °С. С такими параметрами пары хладагента поступают в промежуточный сосуд 2. В компрессоре высокого давления 3 пары хладагента сжимаются до давления 1,0-1,2 МПа и через маслоотделитель 4 поступают в конденсатор 5. В конденсаторе хладагент переходит в жидкое состояние и подается на регулирующий вентиль 6, где давление снижается до 0,4-0,5 МПа, т. е. до давления в компрессоре первой ступени. Снижение давления до таких пределов позволяет понизить температуру хладагента до -(8-10) °С. Жидкий хладагент смешивается с парами хладагента, имеющими от компрессора низкого давления. В результате смешения жидкого хладагента и газообразного температура последнего в промежуточном сосуде 2 снижается до -4°С.
Из промежуточного сосуда одна часть хладагента (газообразная) поступает в компрессор высокого давления, а вторая ко второму регулирующему вентилю 7, где давление вторично снижается до 0,05-0,15 МПа, что соответствует температуре испарения, например аммиака -(50-60) °С, а фреона -(60-70) °С. От регулирующего вентиля хладагент поступает в испаритель 8, а оттуда в компрессор низкого давления 1. Охлаждение хладоносителя до отрицательных температур происходит в испарителе 8 за счет его непрерывной циркуляции.
Широкое применение водных растворов солей (рассолов) связано с тем, что они дешевы и легко могут быть приготовлены в условиях строительной площадки.
Недостатки рассолов: они весьма агрессивны по отношению к ледопородным 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 хладоносителей, которые были бы дешевле, обладали более низкой температурой 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. 4А
Расчеты показывают, что фреон-30 и керосин при прочих равных условиях требуют меньшую поверхность испарения. Однако в связи с малой 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 установках, где водные растворы солей в случае нарушения герметичности системы приводят к аварии, т. е. в условиях, аналогичных шахтным. Фреон-30 не опасен в пожарном отношении. Недостатками его являются наркотические свойства, высокая проникающая способность и высокая стоимость. Однако в сложных гидрогеологических условиях при низкотемпературном замораживании 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 применения в качестве хладоносителя керосина. Так, например, керосин применяли при проходке ствола на калийном месторождении 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 пожароопасность, большой коэффициент объемного расширения (в 6 раз больше, чем у хлористого кальция) и повышенную проницаемость. Температура вспышки паров керосина при внесении открытого пламени 30-40 °С. При использовании керосина в систему необходимо включить расширительную емкость на случай продолжительной остановки замораживающей станции. Эта емкость должна быть рассчитана на увеличение объема при повышении температуры хладоносителя на 10-15 °С.
|