一种高地温隧道围岩取热增压吸收式制冷降温系统

技术领域

本发明属于隧道施工及运营环境安全的技术领域，具体涉及一种高地温隧道围岩取热增压吸收式制冷降温系统。

背景技术

近年来，随着我国经济社会的高速发展，隧道建设也在蓬勃发展。随着西部大开发及川藏铁路的建设，在高地温地区出现许多高埋深的超长隧道，这些地区地质复杂，气候恶劣，高温热害是隧道建设过程中最显著的问题之一。

高温隧道不仅会对施工人员造成影响和危害，同时也会对围岩及隧道本身结构产生影响。隧道工程埋深逐渐变大，隧道长度也逐渐变长，隧道选线无法躲避不良地质区，造成高地温区隧道热害现象逐渐增多，目前，隧道工程施工期降温主要借助通风。通风作为隧道施工的必备环节，具有供氧、降尘、稀释有毒气体和降温多种功能。当隧道热害较轻时，加大风量降低作业区段环境温度是有效的，无须增加其他方式降温。但实际工程中，有很多隧道距离长，埋深大，热害问题较为严重，往往还会采取冰块降温、喷雾洒水降温、加设横洞、局部制冷、个体防护等辅助降温措施；同时地热能是唯一不受天气、季节变化影响的地球本土的可再生清洁能源。国内外地热能利用技术主要有中高温地热能发电及梯级利用(150℃以上)，低温地热能发电(85℃-150℃)，地热能干燥、供暖(50℃-85℃)，浅层地源热泵供热、制冷(10-20℃)。综合看来，对于存在高温热害的隧道，急需一种高效节能的方法，将地层及围岩高温热能用于隧道施工降温。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种高地温隧道围岩取热增压吸收式制冷降温系统，以解决高地温隧道施工期温度过高的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种高地温隧道围岩取热增压吸收式制冷降温系统，其包括围岩取热系统、控制传输系统、吸收式制冷系统和风冷器降温系统；围岩取热系统包括设置于取热隧洞内的多个热交换管组，多个热交换管组与高温围岩接触换热；热交换管组通过控制传输系统将热量传输至吸收式制冷系统中；吸收式制冷系统与风冷器降温系统相连，风冷器降温系统通过制冷水循环管路与吸收式制冷系统进行冷量交换，并将该冷量输送至高温工作面。

进一步地，取热隧洞开挖于隧道围岩温度最高的部分；取热隧洞的高温围岩中安装温度监测装置。

进一步地，多个热交换管组之间并联连接，热交换管组沿取热隧洞长度方向呈U型布置，并沿取热隧洞的高度方向进行重叠铺设。

进一步地，控制传输系统包括安装于传输控制室内的保温加热水箱和传热循环管道；传热循环管道包括互为连通的第一传热循环管道和第二传热循环管道；热交换管组的出水端通过第一传热循环管道与保温加热水箱连通；保温加热水箱通过第二传热循环管道与吸收式制冷系统相连；第二传热循环管道的回水端与热交换管组的进水端连通。

进一步地，传输控制室位于取热隧洞的前方，传输控制室和保温加热水箱内分别安装有水温监测装置。

进一步地，第一传热循环管道上安装有温度传感器，靠近保温加热水箱的第二传热循环管道上安装有第一压力泵，靠近热交换管组的第二传热循环管道上安装有第二压力泵和循环控制器。

进一步地，传热循环管道为无缝保温管，其直径为100mm，厚度为5mm；传热循环管道外部包裹有厚度至少为10mm的保温材料。

进一步地，吸收式制冷系统设置于取热隧洞前方的控制室内，吸收式制冷系统包括吸收式制冷机组和与吸收式制冷机组连接的冷却塔；吸收式制冷机组包括发生器、溶液交换器、吸收器、蒸发器和冷凝器；第二传热循环管道穿设于所述发生器内，发生器依次与冷凝器、蒸发器、吸收器和溶液交换器连通；溶液交换器通过两根管道分别与发生器连通；冷却塔通过冷冻水循环管道分别与吸收器和冷凝器相连，风冷器降温系统通过制冷水循环管路与蒸发器相连。

进一步地，吸收器通过两根管道与溶液交换器连通，其中一根管道上安装有第三压力泵，另一根管道上安装有第二节流阀；蒸发器和冷凝器之间连通的管道上安装有第一节流阀。

进一步地，风冷器降温系统包括风冷器；风冷器沿掘进隧道轴线布置，风冷器通过制冷水循环管路与蒸发器进行冷量交换。

本发明提供的高地温隧道围岩取热增压吸收式制冷降温系统，具有以下有益效果：

本发明的围岩取热系统通过安装于取热隧洞室高温围岩中的热交换管组取热，并联的热交换管组与控制传输系统相连接，将加热的高温水储存于保温加热水箱中，再通过传热循环管道与吸收式制冷系统中的发生器连接，加热发生器中的溴化锂制冷剂，使之完成吸收式制冷循环；同时通过

本发明将高地温与吸收式制冷降温相结合，借助隧道高温围岩取热，通过控制传输系统将热量传输至吸收式制冷系统发生器中，使吸收式制冷系统运行，并能实现对隧道施工面的有效降温。传统空调系统在隧道施工降温的应用中有着能耗高，振动大，寿命短等一系列缺点，而本发明采用将盘管取热与吸收式制冷结合的方式，将高地温隧道地热灾害资源化利用，对于高地温隧道的施工降温有着极大实际应用价值，有效解决施工温度过高的一系列问题，保障了施工人员的安全与施工设备的寿命。

本发明有效利用高温围岩热能结合吸收式制冷解决隧道热害问题，极大减少能源消耗，能源消耗为清洁能源，不对当地自然环境产生影响。

本发明将围岩取热与吸收式制冷相结合，对于高地温隧道施工有极大实际应用价值；且该降温方法可有效解决隧道施工期高温问题，有效保障施工人员与施工设备安全。

本发明采用安装围盘管(热交换管组)取热结合吸收式制冷机组的新型制冷方法，投资较低且便于后期维修养护。

附图说明

图1为高地温隧道围岩取热增压吸收式制冷降温系统的结构示意图。

图2为本发明系统的

图3为本发明热交换管组的

图4为本发明控制传输系统示意图。

图5为本发明吸收式制冷系统示意图。

其中，1、掘进隧道；2、高温工作面；3、围岩取热系统；4、控制传输系统；5、吸收式制冷系统；6、风冷器降温系统；7、传输控制室；8、冷冻水循环管道；9、冷却塔；10、第一传热循环管道；11、第二传热循环管道；12、制冷水循环管路；41、温度传感器；42、保温加热水箱；43、第一压力泵；44、循环控制器；45、第二压力泵；51、发生器；52、溶液交换器；53、第三压力泵；54、吸收器；55、蒸发器；56、第一节流阀；57、冷凝器；58、第二节流阀。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的一个实施例，参考图1和图2，本实施例的高地温隧道围岩取热增压吸收式制冷降温系统，可利用高温围岩的热能，结合吸收式制冷技术达到低能耗甚至无能耗的降低隧道内施工期温度，保证施工安全，其具体包括围岩取热系统3、控制传输系统4、吸收式制冷系统5和风冷器降温系统6；控制传输系统4分别连接围岩取热系统3和吸收式制冷系统5，风冷器降温系统6连接吸收式制冷系统5。

其中，本实施例的围岩取热系统3的取热隧洞修建于施工隧道中可稳定提供高温的围岩内；控制传输系统4的传输控制室7位于取热隧洞的前方，控制热水介质的储存及循环；吸收式制冷系统5位于取热洞室前方控制室内，风冷器降温系统6位于高温工作面2附近；以下将对本实施例的各个系统进行详细描述。

围岩取热系统3；

本实施例的取热隧洞于掘进隧道1围岩温度高的部分开挖修建，通过热交换管组与高温围岩接触换热，吸收围岩热量。

取热隧洞规模尺寸由掘进隧道1高温工作面2所需冷负荷确定，本实施例不作具体限定，在取热隧洞高温围岩中安装温度监测装置，用于监测高温围岩温度变化；取热隧洞内高温围岩温度可保持在50℃-60℃，取热隧洞规模尺寸由掘进隧道1冷负荷需求确定。

参考图3，本实施例将多个热交换管组与高温围岩接触换热，热交换管组通过控制传输系统4将热量传输至吸收式制冷系统5中。

具体的，在实际应用中可根据需求安装多组热交换管组，其组数与取热洞室大小根据实际需求决定，各组热交换管组之间通过并联的方式相连接，热交换管组沿洞室长度方向呈U型布置，每层平铺后再沿洞室高度方向重叠铺设，为减小热干扰，可采用叉排的形式。

热交换管组的盘管直径、长度以及水流速度由吸收式制冷系统5所需热量确定，在此不作具体限定。

本实施例的热交换管组中还安装有水温监测装置，水温监测装置用于监测盘管取热系统中水流温度，当水流温度未达到预设温度值时，则开启保温加热水箱42对水流加热，直至满足吸收式制冷系统5的热量要求。

控制传输系统4；

控制传输系统4包括安装于传输控制室7内的保温加热水箱42、第一压力泵43、温度传感器41、循环控制器44、第二压力泵45和传热循环管道。

具体的，参考图2和图4，传输控制室7位于取热隧洞的前方；传热循环管道包括互为连通的第一传热循环管道10和第二传热循环管道11；热交换管组的出水端通过第一传热循环管道10与保温加热水箱42连通；保温加热水箱42通过第二传热循环管道11与吸收式制冷系统5相连；第二传热循环管道11的回水端与热交换管组的进水端连通。

第一传热循环管道10上安装有温度传感器41，靠近保温加热水箱42的第二传热循环管道11上安装有第一压力泵43，靠近热交换管组的第二传热循环管道11上安装有第二压力泵45和循环控制器44，循环控制器44用于控制传热循环管道中的水流速度。

控制传输系统4中的第二传热循环管道11与吸收式制冷系统5中的发生器51发生热交换。

传热循环管道为无缝保温管，其直径为100mm，厚度为5mm；传热循环管道外部包裹有厚度至少为10mm的保温材料。

传热循环管道外部包裹一层厚度为10mm的保温材料，用于减少传输过程中的热量损耗。

传热循环管道外部均铺设一层厚度为20mm的聚苯乙烯泡沫保护层。

围岩取热系统3需围岩保持一定温度，当围岩温度低于临界值时，只通过围岩取热无法达到吸收式制冷机组运行热量，需通过控制传输系统4中的保温加热水箱42加热，使循环液体温度满足吸收式制冷机组运行温度条件，保证机组能顺利运行。

吸收式制冷系统5；

参考图1、图2和图5，吸收式制冷系统5设置于取热隧洞前方的控制室内，其具体包括吸收式制冷机组和与吸收式制冷机组连接的冷却塔9；

吸收式制冷机组包括发生器51、溶液交换器52、吸收器54、蒸发器55和冷凝器57；

具体的，第二传热循环管道11穿设于发生器51内，发生器51依次与冷凝器57、蒸发器55、吸收器54和溶液交换器52连通；溶液交换器52通过两根管道分别与发生器51连通；冷却塔9通过冷冻水循环管道8分别与吸收器54和冷凝器57相连，风冷器降温系统6通过制冷水循环管路12与蒸发器55相连。

吸收器54通过两根管道与溶液交换器52连通，其中一根管道上安装有第三压力泵53，另一根管道上安装有第二节流阀58；蒸发器55和冷凝器57之间连通的管道上安装有第一节流阀56。

其中，冷凝器57、蒸发器55以及第一节流阀56通过管道连接组成制冷剂回路，发生器51、吸收器54、溶液交换器52以及第二节流阀58和第二泵通过管道连接组成溴化锂溶液回路。

在具体作业时，通过第二传热循环管道11将高温围岩的热量热量传递至发生器51中，发生器51内的溴化锂溶液受热蒸发出水蒸气，水蒸气通过管道进入到冷凝器57内，冷凝器57内的水蒸气遇到冷冻水循环管道8中的冷水液化进入到蒸发器55内，蒸发器55内的水蒸发吸收制冷水循环管路12的热量，即降低制冷水循环管路12的温度，进而通过风冷器降低高温工作面2的施工温度；

水蒸气进入到吸收器54内，吸收器54内的溴化锂溶液吸收水蒸气变为稀溶液，通过管道和管道上的第三压力泵53将稀溴化锂溶液输送到溶液交换器52中，溶液交换器52可将溴化锂溶液进一步输送至发生器51内，实现稀溴化锂溶液的循环动态平衡；同时，也可通过溶液交换器52和第二节流阀58的控制，将发生器51内的溴化锂溶液导入溶液交换器52实现稀溴化锂溶液的循环动态平衡。

风冷器降温系统6

风冷器降温系统6包括风冷器，风冷器沿掘进隧道1轴线布置，风冷器通过制冷水循环管路12与蒸发器55进行冷量交换。

具体的，风冷器降温系统6通过制冷水循环管路12与吸收式制冷系统5进行冷量交换，并将该冷量输送至高温工作面2。

本实施例具体包括两个阶段：

供热控制阶段：热交换管组通过与高温围岩热交换制取的热水储存于传输控制室7内安装的保温加热水箱42中，通过传热循环管道输送至吸收式制冷系统5当中，对发生器51中的溴化锂浓溶液加热，促成吸收式制冷系统5的运行，风冷器降温系统6通过冷冻水循环管道8与吸收式制冷系统5中的蒸发器55进行冷量交换，风冷器降温系统6实现对隧道施工面的降温。

控制传输系统4借助隧道围岩取热，通过传热管路同吸收式制冷系统5中的发生器51相连接，通过发生器51加热溴化锂稀溶液，提供热量使得吸收式制冷系统5运行，同时将换热完成的热水储存至生活水箱，供日常使用；同时通过制冷水循环管路12将吸收式制冷系统5中的蒸发器55与风冷器降温系统6相连接，冷冻水在两系统间循环流通，使风冷器出风温度降低，降低隧道施工温度；冷却塔9通过冷冻水循环管道8与吸收式制冷系统5的吸收器54和冷凝器57相连接，循环冷却水依次通过吸收器54和冷凝器57，吸收热量，水温升高，再回到冷却塔9中放热冷却循环使用。

热水返回阶段：热水从传热循环管道通过发生器51后，由循环环路回到取热隧洞室内的热交换管组中重新加热，进行下次循环；

本实施例的工作原理为：

围岩取热系统3的热交换管组埋置于取热隧道的高温围岩中，围岩取热系统3与控制传输系统4相连接，在取热隧洞前方预留传输控制室7，传输控制室7中包含保温加热水箱42，控制热水介质的储存及循环，并通过传热循环管道将热量传输至吸收式制冷系统5的发生器51中，吸收式制冷系统5位于取热洞室前方的传输控制室7内，吸收式制冷系统5将冷量通过制冷水循环管路12传输至风冷器降温系统6，通过风冷器与旋转喷雾装置对高温工作面2进行降温。

本发明有效利用高温围岩将热害资源化利用，用于解决隧道施工中的高温问题，极大减少能源消耗，能源消耗为清洁能源，不对当地自然环境产生影响，对于高地温隧道的施工降温问题具有较高的应用价值及重要指导意义。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。