冻结器最优传热管径设计理论

摘要

冻结法施工广泛用于矿井建设工程及市政工程中,冻结效果是冻结法施工中需要考虑的主要因素之一.为确定冻结管和供液管管径取多大时,冻结器能够取得最佳的冻结效果.本文首先研究了冻结器内盐水的运动阻力和能量损失的关系,获得了额定流量条件下,水头损失最小的管径理论分析模型.然后研究了冻结器内水头损失与冻结器环形空间内盐水对流换热系数间的关系,获得了冻结器最优传热管径计算模型.理论研究结果表明:在给定盐水流量、温度和冻结管外径的条件下,冻结器内供液管必有一个最优的内径值,能以最小的运动能量损失获得最大的对流传热效果.以郭屯副井为例进行计算分析,当冻结管为Φ159×7时,对于-30℃的盐水,在13m3/h的流量下,如果将原有供液管由Φ75×6变化为Φ101×6,则对流换热系数可由48.11 W/(m2·℃)提高到75.34 W/(m2·℃),单根冻结器内的水头损失可由31.10m降低到15.72m.即采用最优管径时,对流换热系数可提高56.6％,而总水头损失可降低49.4％.