Vai trò các hệ thống lạnh  (Page 16/16)

Cấu tạo cọc kết đông rất đơn giản theo kiểu ống lồng ống. Đường kính ống ngoài khoảng 100mm, ống trong 40mm. Chất lỏng lạnh có nhiệt độ khoảng -20 đến -40oC được dẫn đi vào từ ống trong và đi ra ống ngoài ra ngoài, đầu cọc vót nhọn để dễ nén vào lòng đất. Tuy nhiên để dễ dàng đưa cọc vào nền đất có thể tiến hành khoan mồi trước. Các cọc được nối song song với bộ phận phân phối và thu hồi môi chất lạnh.

1- Cọc kết đông; 2,3- Môi chất lạnh vào và ra; 4- Khối kết đông

Hình 1-6: Sơ đồ kết đông nền móng bằng cọc kết đông

Trong quá trình môi chất lạnh tuần hoàn, nền móng xung quanh cọc được làm lạnh và kết đông lại thành 01 khối vững chắc. Kích thước trụ kết đông ngày càng lớn dần ra xung quanh, sau một thời gian nhất định (khoảng vài tuần, có khi vài tháng) các trụ kết đông mới nối lại với nhau thành thành vòng kín vững chắc, đảm bảo không cho đất sụt lở khi đào sâu phía bên trong.

Độ chắc chắn của vòng kết đông phụ thuộc vào nhiệt độ làm lạnh và chiều dày của nó. Ví dụ độ bền nén của nền cát kết đông ở -10oC là 100 bar, ở -15oC là 160 bar, ở -25oC là 200 bar. Khi nền cát kết đông thì nước đóng vai trò như xi măng trong kết cấu bê tông.

Trong lạnh đông nước ở đất đóng băng liên kết với hạt đất tạo thành lớp liên kết bền vững chẳng khác bê tông. Liên kết này vững hơn nhiều liên kết nước đá thuần tuý. Đất cát đóng băng có độ liên kết bền vững nhất sau đó đến đất thịt và sau cùng là đất sét.

Đối với cửa hầm lò, đôi khi cọc phải dài đến hàng trăm mét cắm sâu vào lòng đất. Khi đó phải khoan mồi trước các lổ cọc. Các lổ phải song song để đảm bảo khoảng cách cần thiết, nếu có một vị trí nào đó khoảng cách giữa các cột quá xa, mạch kết đông không liên kết có thể tạo nên những điểm yếu cục bộ, có thể gây sụt lở ở những vị trí này. Trong quá trình sử dụng cần tránh rò rỉ chất vào lòng đất, vì nhiệt độ đông đặc của chất tải lạnh rất thấp không thể đông được nên có thể làm cho các cọc kết đông rả đông, rất nguy hiểm và rất khó khắc phục.

Do chất tải lạnh trên đường ống ra nóng hơn ống chất lỏng lạnh vào đáng kể (khoảng 8K), nên giữa chúng có trao đổi nhiệt với nhau, làm giảm hiệu quả làm lạnh nền đất. Vì vậy phải có biện pháp giảm dòng nhiệt trao đổi này, bằng cách cách nhiệt bề mặt ống trong. Đây là vấn đề tương đối khó, vì như vậy sẽ tăng kích thước ống ngoài. Có thể giảm dòng nhiệt trao đổi này bằng cách sử dụng loại vật liệu có khả năng dẫn nhiệt kém làm ống trong, ví dụ như nhựa PVC.

Do phải vận hành trên các công trình xây dựng và luôn luôn phải di chuyển nên hệ thống lạnh phải gọn, dễ cơ động. Tốt nhất nên thiết kế lắp đặt trên các xe thành khối, khi vận hành chỉ cần đấu điện, nước là có thể hoạt động. Việc đấu nối chất tải lạnh cũng phải đơn giản và chắc chắn.

Các cọc kết đông có thể được làm lạnh bằng môi chất lạnh. Ưu điểm của phương án này là hiệu quả làm lạnh cao hơn, do độ chênh nhiệt độ lớn. Tuy nhiên phương án này có nhược điểm là chênh lệch nhiệt độ sôi bên trong ống khá lớn do chênh lệch cột áp thuỷ tĩnh, ở phía trên và phía dưới, đấu nối phức tạp hơn và môi chất dễ bị rò rỉ ra ngoài.

Để tạo lớp thành vỏ dày 2 – 3 m bảo vệ hoặc ngăn cách nước thẩm thấu vào khu vực thi công, cần thực hiện các giếng khoan lạnh đông cách nhau 0,8-1,2m tuỳ loại đất

Môi chất lạnh sử dụng trong các hệ thống này có thể là amôniắc, propan hoặc CO2. Khi sử dụng NH3 cần lưu ý là môi chất NH3 hoà tan trong nước nên khi rò rỉ có thể làm mềm nền, phá vỡ kết cầu nền, nguy hiểm.

Có thể sử dụng không khí lạnh để kết đông như trường hợp xây dựng đường hầm Stockholm năm 1884. Người ta dùng không khí lạnh -55oC từ một máy làm lạnh không khí để kết đông nền đất.

Ngày nay, để kết đông các nền đất không lớn, người ta sử dụng cả nitơ lỏng. Quá trình kết đông xảy ra rất nhanh chóng.

Việc tính toán công suất lạnh trong các tài liệu tham khảo rất khác nhau do tính chất nền đất mỗi nơi rất khác nhau.

Tính toán chi phí lạnh để làm lạnh đông đất

- Tổng khối lượng đất cần làm lạnh:

Vi = V1 + V2 + … + Vn = F.(h1+h2+ …+ hn)(1-1)

F – Diện tích tiết diện vỏ đông lạnh, m2

hi – Chiều dày của các lớp đất khác nhau, m

- Tổng thể tích nước cần làm lạnh

Vn = V’i =  Vi x Ei (1-2)

Ei – Hàm lượng phần trăm (theo thể tích) nước trong các lớp đất, %

- Chi phí làm lạnh nước

Qn = n.Vn. [Cn.t1 + r + Cđ t2] , J(1-3)

n – Khối lượng riêng của nước, n  1000 kg/m3

t1, t2 – Nhiệt độ của nước ban đầu và sau đông đá, oC

r – Nhiệt đông đóng băng của nước, r = 2500 kJ/kg (80 kCal/kg)

Cn, Cđ - Nhiệt dung riêng của nước và đá, kJ/kg.K

- Chi phí làm lạnh các các thành phần khô

Qk =  i. ( Vi - V’i ).Ci (t1 - t2), J(1-4)

i, Ci – Khối lượng riêng và nhiệt dung riêng của thành phần khô của các lớp đất.

Từ tổng chi phí lạnh yêu cầu trên, căn cứ vào thời gian yêu cầu làm lạnh  (giây), có thể xác định công suất lạnh yêu cầu của máy lạnh:

$Q_o=\frac{Q}{\tau }=\frac{Q_n+Q_K}{\tau },W$ (1-5)

* * *