冰凍工法須知(三)-冰凍方式與冷凍循環

概述

為了冰凍地盤,將直徑約10 cm的鋼管(稱為冷凍管),埋設於擬冰凍的地盤內,在管內持續供應冰點以下的低溫液體。如圖1(1)所示,自冷凍管的表面,土壤被冷卻成凍土呈同心圓狀成長。若事前以適當的間距埋設冷凍管,則由毗鄰的冷凍管成長的凍土柱,最後結合成一體,完成所需求的凍土壁或凍土塊。

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冰凍方式因所用低溫液體的不同,分為如圖2(1)所示的鹵水方式與液態氮(LN2)方式兩種。鹵水方式係以氟里昂氣體(freon gas)為冷媒,藉冷卻循環,將鹵水 (一種不凍液,為氯化鈣的水溶液,凝固點依其濃度而異,最低-55℃,比重1.286),冷卻至-20℃~-40℃後,以循環泵將此送進冷凍管,冷卻地盤後,將溫度上昇的鹵水藉冷卻循環再度予以冷卻。地盤內的熱量,自冷凍管經鹵水、冷卻器、冷媒、凝縮器、冷卻水等,最後釋出於大氣中。由壓縮機、凝縮器、冷卻器所構成的冷卻循環,成一單元化,在日本一個冰凍單元75kW 1組的冰凍土量約為400~1,000 m3。將37.5 kW、75 kW及150 kW的冰凍單元,依工程的規模予以適當的組合,冰凍土量可達200 m3至35,000 m3,已廣泛運用在大規模的工程上。

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液態氮方式係以油罐車運送液態氮(沸點-196℃),直接將液態氮流進冷凍管內,主要以其氣化熱冷卻地盤。冷凍管吸收地盤的熱量,氣化的氮氣釋出於大氣中。一般而言,液態氮方式的主要施工機械為液態氮之搬運與儲存設備。液態氮之搬運設備通常使用液態氮油罐車(以下簡稱油罐車)。儲存設備設置於現地,為了將油罐車運來的液態氮一面儲存,一面液送至冷凍管,使用一種稱為冷蒸發器(Cold Evaporator,以下簡稱CE)之固定式的儲存槽,為業界所廣泛使用。用在冰凍工程時,此種儲藏設備通常由液態氮供應方提供。

液態氮方式主要因經濟上的考量,適用於冰凍土量低於200 m3之工期短的小規模工程。比起鹵水方式,因液態氮方式冷卻溫度甚低,冰凍速度快,可縮短工期,即使有些微的地下水流亦無礙於凍土的成長。此外,無需動力源或機械設備等,亦為其優點。另一方面,需考慮冷凍管或配管因低溫脆性引起的破損,以及為了利用氣化熱,均勻的熱量分配,需特別予以考量,另有漏氣及排氣措施等問題存在,為其缺點。

鹵水方式的冷凍循環

圖2(a) 所示的鹵水方式,其冷凍循環可擴大如圖3所示,由(1)冷卻水循環系統,(2)冷媒循環系統,(3)鹵水循環系統等三系統所構成,茲說明如下。

1.冷卻水循環系統

冷卻水循環系統由凝縮器、冷卻水循環泵及冷卻塔所構成。以冷卻水循環泵,將水循環,在凝縮器內自冷媒氣吸熱,係一種以冷卻塔放熱於大氣中之熱移動循環。一部分的冷卻水被送至壓縮機,亦進行冷卻。一般凝縮器的冷卻方式為水冷式。

2.冷媒循環系統

冷媒循環系統係冷凍設備的主體,由壓縮機、凝縮器(一種熱交換器,經壓縮機壓縮後噴出的高温高圧的冷媒氣,以水或空氣等予以冷却,使其凝縮(液化),也可說是一種液化器。)及蒸發器所構成。被壓縮機壓縮成高溫高壓的冷媒氣,經凝縮器放熱於外部之物體(水),變成液體,經過膨脹閥而被減壓,以蒸發器自外部的物體(鹵水)吸熱,變成氣體,再度進入壓縮機形成冷凍循環。具有此冷凍循環之冷凍機,為蒸氣壓縮式冷凍機。

3.鹵水循環系統

鹵水循環系統由蒸發器、鹵水循環泵及冷凍管所構成。此係利用鹵水循環泵,使鹵水循環,在蒸發器內將熱放出於冷媒氣上,在冷凍管內自地盤吸熱的一種熱移動循環。

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茲將圖3 所示箭頭編碼①至⑬說明如下。

① 藉蒸發器使冷卻後之低溫鹵水(不凍液)循環於冷凍管内(約-34℃)。

② 冷凍管内循環之不凍液吸收地盤熱量後(約-32℃)經鹵水循環泵送至蒸發器。

③ 將吸熱後之不凍液送入蒸發器内。

④ 蒸發器内將吸熱後之不凍液藉冷媒進行冷却。

⑤ 冷卻不凍液後之冷媒,此時冷媒溫度上昇。

⑥ 為了冷卻不凍液,將温度上昇的冷媒予以壓縮使其變成高壓氣體。

⑦ 冷媒經壓縮後,變成高温高壓氣體。

⑧ 高温高壓氣體經冷却水冷卻後,液化成低温高壓液。

⑨ 低温高壓液流入膨脹閥使其氣化。

⑩ 將氣化物及低溫水送入凝縮器。

⑪ 吸熱後的冷却水,經冷卻水循環泵送至冷卻塔。

⑫ 將吸熱後之冷却水送進冷却塔。

⑬ 冷卻塔內將吸熱後之冷却水冷却。

上述之冷媒一般使用R-22。

液態氮方式之液態氮供應路徑

供應液態氮至冷凍管的方法,有如圖4 所示之兩種,其一為以油罐車→CE→配管之路徑,供應至冷凍管的方法(CE方式),另一為以油罐車→配管的路徑,供應至冷凍管的方法(油罐車方式)。因此,CE未必為非使用不可的設備,也有僅用油罐車儲藏以及兼用液送而施工的情況。一般而言,液態氮之消耗量或單位時間的供應量少,油罐車之運送距離短時,油罐車方式在經濟上比較有利。

再者,不論油罐車或CE,均列為高壓氣體生產設備,其使用須遵循高壓氣體管制法。

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冷媒

傳送冷氣的流體之總稱。自液體變為氣體,或自氣體變為液體之相發生變化時,利用其潛熱,將熱傳達之媒體,稱為冷媒。諸如鹵水,傳熱的相雖不發生變化,廣義而言,也稱為冷媒。

於冷凍設備中循環的冷媒,以價廉為原則,其選取應滿足下列之條件。

1.常溫下可用較低壓液化,低溫下可用大氣壓以上的壓力蒸發。

2.臨界溫度高,凝固點低。

3.蒸發熱與液體比熱之比大,氣體的比容積小。

4.化學上穩定,高溫亦不分解,與金屬或油不起作用,危險性少。

5.一有外漏,可立即發現。

冷媒有多種,目前冷凍機所用的冷媒,多為氨以及氟系冷媒。用為冷媒的氨,雖然性質優越,較為價廉,在工業界多被使用,但因對人體有害,且具可燃性及爆炸性,故不適用於冰凍工法。在國外雖也有使用氨之例,在日本多用氟系冷媒之符合性能且公害性少的R-22(一氯化氟,沸點-40.8℃)。

鹵水

使用鹵水方式的鹵水,應選擇滿足下列之條件。

1.價廉,容易取得。

2.凝固點低。

3.導熱率或熱容量(比熱)大。

4.黏性低,循環泵之動力消耗少。

5.化學上之結合穩定,不腐蝕冷凍裝置。

6.無毒性或惡臭。

7.廢棄容易。

鹵水有多種,冰凍工法常用性能優越價廉之氯化鈣。由於氯化鈣鹵水之凝固點為-55℃(比重1.286),故冷卻溫度之臨界溫度約為-45℃左右。氯化鈣鹵水因係水溶性,故在冰凍中若自冷凍管有漏洩情況,則侵蝕凍土,使地盤的冰凍溫度下降,此點須十分留意。若萬一發生漏洩時,則應稀釋漏洩的地盤之鹵水濃度,提昇凝固點,以設計冰凍溫度再度冰凍。

參考文獻

1.地盤工学会(1994)。土の凍結─その理論と実際(社)。

2. 姚義久(2006)。地盤冰凍工法理論與實務。

 

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